DDA方法及其在裂隙岩体工程中的应用研究

摘要

DDA是一种继离散元法之后用于分析节理岩体的非连续变形分析方法。该方法可以用来计算块体系统动力学和静力学问题，实际上，只要将块体单元划分足够小，块体之间的节理粘结强度足够大，DDA也可以模拟连续体的受力问题。论文首先对与DDA平行的各种岩土力学数值方法进行了系统的介绍，并指出了各自特点。然后对DDA的基本理论进行了初步研究和探讨，在熟悉DDA原理和算法基础上，将石根华博士赠送的DDA程序中的平面应力模型改为常用的平面应变模型，并对DDA前后处理做了部分改进。研究了形成块体单元的结构面的聚类分组方法，提出了将图像处理技术应用于DDA建模的思想并进行了实际应用。并对DDA方法初步研究了唐家山滑坡启动和隧道顶板塌方，模拟效果较好。本文具体研究工作内容如下： （1）较深入学习并研究了DDA的接触算法等核心知识，将原有的线弹性平面应力模型修改为平面应变模型。初步编写了用于将ANSYS单元网格转化为DDA所需的单元建模数据的程序，为DDA建模增加了新的手段。 （2）DDA中的块体单元是模拟实际结构面切割而成的，在获取结构面第一手资料后，需要研究建立结构面的分布概率模型，形成结构面网络。这需要用到结构面分组技术。本文将聚类分析方法用于结构面分组，通过MATLAB编程实现了结构面产状的动态分类，效果较好。 （3）DDA一般用于分析材料非连续变形，如何用DDA方法考虑岩土体非均质性的细观空间分布，本文对此进行了初步的研究工作。本文首次提出了将数字图像技术用于DDA建模的方法，借助数字图像技术获取岩体材料非均质性的细观几何分布信息，运用图像矢量化（给出了图形矢量化算法）将其转化为通用的DXF格式数据文件，实现了考虑岩石非均质性的细观空间分布的DDA建模。 （4）文章将DDA用于滑坡的数值模拟的研究，验证了滑坡启动判据的可靠性，并指出了影响滑坡启动（稳定性）的相关因素。同时，将DDA方法用于隧道顶板塌方的分析，效果较好。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2岩土力学数值计算方法简述

1.2.1连续变形分析方法

1.2.2非连续变形分析方法

1.2.3 DDA和数值流形元法的研究进展

1.3本文研究内容和技术路线

第二章非连续变形分析方法(DDA)基本理论

2.1引言

2.2 DDA理论基础

2.2.1块体位移与变形

2.2.2二维情形下的块体系统平衡方程及推导

2.2.3块体系统运动学理论

2.3对二维DDA主计算程序的若干修改

2.3.1平面应变模型

2.4 DDA前后处理简单的改进方法

2.5 DDA控制参数的选取说明

2.5.1步位移的取值

2.5.2弹簧刚度

2.5.3时间步的确定

第三章裂隙结构面的动态聚类分组和网络模拟

3.1引言

3.2结构面分组研究现状

3.3结构面分组的必要性和原则

3.4聚类分组算法和原理

3.4.1聚类基本原理

3.4.2聚类算法和流程

3.5结构面动态聚类分组的MATLAB实现

3.6结构面产状的概率模型

3.6.1概率分布形式的确定

3.6.2数字特征值的计算

3.7结构面产状的二维网络模拟

3.8小结

第四章基于数字图像技术的DDA建模方法

4.1引言

4.2数字图像技术与图像处理

4.3图像几何矢量转换算法

4.3图像矢量化和有限元网格划分

4.4数字图像技术的DDA建模应用

4.5小结

第五章DDA的工程应用初步研究

5.1 DDA动力学算例验证

5.2唐家山堰塞坝

5.2.1唐家山堰塞坝概况

5.2.2 DDA计算模型概化和建立

5.2.3滑坡算例

5.2.3唐家山滑坡启动条件研究

5.3隧道掉块DDA数值模拟

5.3.1工程背景

5.3.2 DDA计算模型

5.3.3关于计算结果的讨论

5.4小结

第六章结论和展望

6.1结论

6.2关于DDA的总结和展望

6.3 DDA的优势、不足及其发展目标

6.4下一步的研究工作

参考文献

致谢

硕士期间参与的科研项目及发表的论文

附录