含水裂隙岩体本构模型及数值模拟研究

摘要

近几十年来，国内外学者对于含水裂隙岩体做了大量的研究，具有一定的广度和深度。但总结下来其研究内容仅局限于理论公式的推导方面，在数值模拟方面，大部分的学者采用的是与程序自带的摩尔-库伦模型进行模拟分析对比，并无实质性的开发出与理论研究部分相符合的本构模型运用到实际工程当中。因此，基于以上研究背景本次论文参考了弹塑性力学、损伤力学、岩石力学、连续介质理论等学科知识和基础理论，以非贯穿闭合型含水裂隙岩体为研究对象，运用Microsoft Visual Studio2010程序二次开发出了FLAC3D能够识别的新的本构模型，主要研究内容及创新成果包含以下几个方面：
　　（1）综合考虑了含水裂隙岩体中由潜水当中的裂隙水产生的初始渗透压力P、裂隙岩体初始损伤、裂隙扩展、破坏、多种随机裂隙等影响因子，在摩尔-库伦本构模型的基础之上，通过修正模型中应力-应变关系柔度张量C，得到了修正后的含水裂隙岩体本构模型的应力-应变关系；
　　（2）利用FLAC3D程序中的二次开发模块，并采用Microsoft Visual Studio2010程序编制出单种含水裂隙岩体的本构模型，通过建立一个25m*25m*1m的圆形隧道模型模拟验证了新本构模型的准确性和适用性；
　　（3）通过MATLAB程序成功模拟实现了含水裂隙岩体模型中多种随机裂隙在模型中的分布情况，之后按照同样的二次开发方法综合分析了含水裂隙岩体中各种随机裂隙对于新开发模型理论的影响，得到了该套本构模型二次开发理论的适用范围。模拟分析结果表明，随着随机裂隙分布越多，模型的变形则越大，当随机裂隙的分布在一定的范围内，本套二次开发理论有效，但当随机裂隙分布超过一定范围时，则本套理论失效，模拟结果不准确，这也体现出本套理论的局限性；
　　（4）在本套二次开发理论有效范围之内结合新开发出来的本构模型选取了某一盾构隧道开挖工程实例进行了模拟分析，得到了关于含水裂隙岩体盾构隧道工程位移场变化的一些结论，为隧道后期支护等设计提供一定的参考价值。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究思路及目的

1.3 国内外研究现状

1.4 存在的问题

1.5 研究内容

1.6 研究方法和主要技术路线

第2章 含水裂隙岩体本构模型理论研究

2.1 引言

2.2 含水裂隙岩体损伤张量的定义

2.3 含水裂隙岩体等效柔度张量

2.4 含水裂隙岩体本构模型的复合失稳准则及流动法则

2.5 小结

第3章 基于FLAC3D程序本构模型的二次开发

3.1 FLAC3D软件简介及其计算原理

3.2 FLAC3D自定义本构的实现环境

3.3 FLAC3D自定义本构模型的编写

3.4 小结

第4章 随机裂隙的数值模拟问题研究

4.1 概述

4.2 随机裂隙的各参数概率分布及其随机数的生成

4.3 随机裂隙的三维模拟实现

4.4 基于FLAC3D程序本构模型的深度开发

4.5 小结

第5章 含水裂隙岩体盾构隧道数值模拟研究

5.1 概述

5.2 ANSYS软件前处理模块介绍

5.3 盾构法的简单介绍

5.4 工程概况

5.5 计算模型的建立

5.6 计算结果的分析

5.7 小结

第6章 结论、创新点与展望

6.1 结论与创新点

6.2 展望

参考文献

致谢

附录A 头文件（Modelmimohr.h）

附录B 源文件（Modelmimohr.cpp）

附录C 两种随机裂隙模型源文件中的run( )函数

在学期间发表的学术论文与研究成果