【摘 要】
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交通、能源重大基础设施建设过程中会遇到各种复杂地质情况及外部环境因素,其中裂隙岩体在保障结构安全稳定方面发挥十分重要的作用,岩体在漫长的年代形成过程中萌生了大量天然缺陷,其变形损伤破坏规律会受到周围物理场及自身强度的影响,裂隙岩体在外部荷载作用下的起裂、扩展、连接及贯通导致结构失稳的问题始终是学者们所关注的热点。数值模拟手段凭借着高效率低成本被广泛应用到岩体力学分析中,其中近场动力学方法能够有效避
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交通、能源重大基础设施建设过程中会遇到各种复杂地质情况及外部环境因素,其中裂隙岩体在保障结构安全稳定方面发挥十分重要的作用,岩体在漫长的年代形成过程中萌生了大量天然缺陷,其变形损伤破坏规律会受到周围物理场及自身强度的影响,裂隙岩体在外部荷载作用下的起裂、扩展、连接及贯通导致结构失稳的问题始终是学者们所关注的热点。数值模拟手段凭借着高效率低成本被广泛应用到岩体力学分析中,其中近场动力学方法能够有效避免尖端奇异性问题并且无需设置扩展路径可以模拟裂纹自发破坏过程,在处理裂隙岩体等非连续问题上具备较大优势。本文立足于交通基础设施建设及能源开采领域亟需开展的裂隙岩体损伤渗流特性研究,逐步建立了适用于描述裂隙岩体力学特征的近场动力学理论模型,主要内容如下:(1)经典键基近场动力学方法在模拟材料变形时通常存在边界误差大而且泊松比固定的不足,本文利用变形假定将微模量与连续介质力学中的弹性常数建立联系,通过刚度等效的方式构建线性不定方程组并采用最小二乘最小范数的方法求解最优微模量,引入了可以反映非局部作用程度的核函数来提高计算精度,对脆性材料变形及裂纹扩展过程进行模拟并分析其收敛性及适用性。(2)控制方程为积分方程的键基近场动力学方法不涉及应力和应变的概念在模拟材料损伤破坏问题时存在适用性限制与分析限制,本文引入了非局部微分算子理论利用数值积分形式的非局部微分算子求解离散点处的应力值,建立了近场动力学应力应变分析模型,对岩石类材料的变形破坏进行模拟以验证方法的有效性,开展了粒子离散间距、泰勒项数及权函数的影响规律分析。(3)经典理论中的临界能量释放率准则没有很好的考虑损伤处微观力学参数的变化同时无法区分岩石材料的拉伸以及剪切破坏,本文利用应变软化的应变能密度准则将近场动力学裂纹尖端处的力学指标与残余应变能建立联系。采用抗拉强度以及摩尔库伦判别准则对键的破坏进行判定,建立了基于拉-剪破坏判别准则的近场动力学损伤模型对岩石类材料在压缩荷载条件下的破裂过程进行模拟。(4)近场动力学渗流扩散理论中未充分考虑非局部作用关系以及在模拟岩石宏观裂隙与基质时的非均质渗流,本文在近场动力学渗透扩散模型基础上引入了高精度收敛核函数并推导对应的渗透系数,根据岩石基质及宏观裂隙的渗流特性提出了近场动力学裂隙岩体非均匀渗流模拟,进一步提出了考虑力学场与渗流场相互影响的裂隙岩体损伤-渗流的近场动力学全耦合分析方法。(5)开展层状岩体等间隔破裂产生机制及裂纹分布规律研究,对层状岩体中间层以及表面层在边界荷载作用下产生条状、网状间隔破裂过程进行模拟,同时分析厚度、加载比等因素对结果的影响。建立了开挖扰动条件下围岩失稳渗透破坏的近场动力学流固耦合算法,对岩溶隧道开挖时围岩变形和渗透破坏过程进行模拟并与室内试验对比验证方法的有效性,揭示了开挖扰动诱发富水围岩发生失稳渗透破坏的机制。
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