1、1212級(jí)本科畢業(yè)論文答辯級(jí)本科畢業(yè)論文答辯裂隙巖體漸進(jìn)破壞數(shù)值模擬裂隙巖體漸進(jìn)破壞數(shù)值模擬專(zhuān)業(yè)：水利水電工程專(zhuān)業(yè)：水利水電工程答辯人：石越答辯人：石越指導(dǎo)老師：姚池指導(dǎo)老師：姚池目錄目錄1.1 1.1 背景背景 由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高鐵逐漸成為了人們出行的首選方式，由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高鐵逐漸成為了人們出行的首選方式，但是社會(huì)需求的發(fā)展相比，我國(guó)鐵路無(wú)論是規(guī)模還是質(zhì)量都但是社會(huì)需求的發(fā)展相比，我國(guó)鐵路無(wú)論是規(guī)模還是質(zhì)量都還存在很大的差距。為從根本上解決鐵路供需矛盾，國(guó)家制還存在很大的差距。為從根本上解決鐵路供需矛盾，國(guó)家制定了鐵路中長(zhǎng)期規(guī)劃以及定了鐵路中長(zhǎng)期規(guī)劃以及“十一五十一五”鐵路建設(shè)發(fā)展規(guī)劃。

2、與鐵路建設(shè)發(fā)展規(guī)劃。與此同時(shí)，在高鐵軌道的建設(shè)中，隧道工程尤其重要。但這類(lèi)此同時(shí)，在高鐵軌道的建設(shè)中，隧道工程尤其重要。但這類(lèi)工程的興建在地質(zhì)勘查、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的安全控工程的興建在地質(zhì)勘查、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的安全控制等各個(gè)方面給人們提出了更高的要求。制等各個(gè)方面給人們提出了更高的要求。1.2 1.2 意義意義 含結(jié)構(gòu)面巖體，尤其是非貫通裂隙巖體，涉及許多學(xué)科和含結(jié)構(gòu)面巖體，尤其是非貫通裂隙巖體，涉及許多學(xué)科和生產(chǎn)領(lǐng)域，是水利水電工程、礦業(yè)工程、巖土工程、公路和生產(chǎn)領(lǐng)域，是水利水電工程、礦業(yè)工程、巖土工程、公路和鐵路交通工程等工程中最常見(jiàn)、最重要的介質(zhì)之一，它直接鐵路交通工程等工

3、程中最常見(jiàn)、最重要的介質(zhì)之一，它直接影響著這些重要行業(yè)中的洞室、邊坡、路基等巖體工程的穩(wěn)影響著這些重要行業(yè)中的洞室、邊坡、路基等巖體工程的穩(wěn)定與安全，對(duì)于人類(lèi)工程活動(dòng)具有重要意義。定與安全，對(duì)于人類(lèi)工程活動(dòng)具有重要意義。 介紹了改進(jìn)剛體彈簧法的基本原理、本構(gòu)方介紹了改進(jìn)剛體彈簧法的基本原理、本構(gòu)方程、邊界條件及破壞準(zhǔn)則，介紹改進(jìn)剛體彈簧程、邊界條件及破壞準(zhǔn)則，介紹改進(jìn)剛體彈簧法網(wǎng)格的生成方法。對(duì)比傳統(tǒng)的剛體彈簧法得法網(wǎng)格的生成方法。對(duì)比傳統(tǒng)的剛體彈簧法得出改進(jìn)剛體彈簧法的優(yōu)勢(shì)。介紹了幾種細(xì)觀參出改進(jìn)剛體彈簧法的優(yōu)勢(shì)。介紹了幾種細(xì)觀參數(shù)對(duì)剛體彈簧模型模擬結(jié)果的影響。數(shù)對(duì)剛體彈簧模型模擬結(jié)果的影響

4、。 基于改進(jìn)剛體彈簧模型，采用基于改進(jìn)剛體彈簧模型，采用Visual C+ Visual C+ 6.06.0語(yǔ)言編制了橫觀各向同性巖石破壞機(jī)制分析語(yǔ)言編制了橫觀各向同性巖石破壞機(jī)制分析的計(jì)算程序。利用數(shù)值模擬程序模擬出在不同的計(jì)算程序。利用數(shù)值模擬程序模擬出在不同的巖橋角度下雙裂隙的生成以及達(dá)到峰值的過(guò)的巖橋角度下雙裂隙的生成以及達(dá)到峰值的過(guò)程。模擬橫觀各向同性巖石開(kāi)裂破壞的全過(guò)程，程。模擬橫觀各向同性巖石開(kāi)裂破壞的全過(guò)程，并詳細(xì)討論橫觀各向同性巖石不同的破壞模式并詳細(xì)討論橫觀各向同性巖石不同的破壞模式并進(jìn)行分類(lèi)分析。并進(jìn)行分類(lèi)分析。 本文采用基于改進(jìn)剛體彈簧法的數(shù)值模擬程序改本文采用基于改進(jìn)

5、剛體彈簧法的數(shù)值模擬程序改進(jìn)剛體彈簧法與傳統(tǒng)的剛體彈簧法（界面元方法）區(qū)進(jìn)剛體彈簧法與傳統(tǒng)的剛體彈簧法（界面元方法）區(qū)別在于：在剛體彈簧法中相鄰單元通過(guò)接觸面中點(diǎn)的別在于：在剛體彈簧法中相鄰單元通過(guò)接觸面中點(diǎn)的法向、切向和轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧相連，而在改進(jìn)剛體彈簧法方法向、切向和轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧相連，而在改進(jìn)剛體彈簧法方法中，巖石被模擬為剛性塊體的集合，剛性塊體之間法中，巖石被模擬為剛性塊體的集合，剛性塊體之間通過(guò)均勻分布在共同邊界上的法向和切向彈簧傳遞力通過(guò)均勻分布在共同邊界上的法向和切向彈簧傳遞力的作用，它通過(guò)均勻分布的彈簧取代了剛體彈簧法中的作用，它通過(guò)均勻分布的彈簧取代了剛體彈簧法中轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧的作用，這種處

6、理方式使得改進(jìn)后的方法能轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧的作用，這種處理方式使得改進(jìn)后的方法能夠計(jì)算得出單元界面上應(yīng)力的不均勻分布狀態(tài)，從而夠計(jì)算得出單元界面上應(yīng)力的不均勻分布狀態(tài)，從而使結(jié)果分析更加準(zhǔn)確全面。使結(jié)果分析更加準(zhǔn)確全面。3.1 3.1 數(shù)值模型數(shù)值模型 試驗(yàn)砂巖試樣為寬試驗(yàn)砂巖試樣為寬80mm80mm，高，高160mm160mm，厚度，厚度30mm30mm的棱的棱柱體，其基本力學(xué)參數(shù)見(jiàn)柱體，其基本力學(xué)參數(shù)見(jiàn)下表下表。 YangYang等試驗(yàn)所用材料的宏觀力學(xué)參數(shù)等試驗(yàn)所用材料的宏觀力學(xué)參數(shù)其中，裂隙長(zhǎng)度其中，裂隙長(zhǎng)度2a=12mm2a=12mm，巖橋長(zhǎng)度，巖橋長(zhǎng)度2b=16mm2b=16mm，每條，每條

7、預(yù)制裂隙的寬度預(yù)制裂隙的寬度d=2.0mmd=2.0mm，裂隙傾角，裂隙傾角=30=30。巖橋。巖橋傾角為傾角為。試樣模型如下試樣模型如下主要研究斷續(xù)雙裂隙巖石在不同巖橋傾角主要研究斷續(xù)雙裂隙巖石在不同巖橋傾角（0，30，60，90，120）時(shí)）時(shí)T為為5MPa作用下宏觀強(qiáng)度破壞特征及其細(xì)觀力學(xué)機(jī)作用下宏觀強(qiáng)度破壞特征及其細(xì)觀力學(xué)機(jī)制。制。 通過(guò)大量試算，反復(fù)調(diào)整顆粒細(xì)觀破壞參數(shù)，通過(guò)大量試算，反復(fù)調(diào)整顆粒細(xì)觀破壞參數(shù)，使得數(shù)值試驗(yàn)和模型試驗(yàn)的完整雙裂隙巖石單使得數(shù)值試驗(yàn)和模型試驗(yàn)的完整雙裂隙巖石單軸壓縮各角度峰值應(yīng)力曲線(xiàn)和破壞模式基本吻軸壓縮各角度峰值應(yīng)力曲線(xiàn)和破壞模式基本吻合。通過(guò)該試驗(yàn)，

8、最終得到一組細(xì)觀參數(shù)，如合。通過(guò)該試驗(yàn)，最終得到一組細(xì)觀參數(shù)，如下表所示。下表所示。 數(shù)值數(shù)值模擬所用細(xì)觀參數(shù)模擬所用細(xì)觀參數(shù)下圖給出了由表下圖給出了由表2所給顆粒破壞細(xì)觀參數(shù)模所給顆粒破壞細(xì)觀參數(shù)模擬得到的單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)擬得到的單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)3.2 3.2 斷續(xù)雙裂隙巖石破壞模式分析斷續(xù)雙裂隙巖石破壞模式分析 這一節(jié)給出了這一節(jié)給出了了室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬得到了室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬得到的不同巖橋傾角下雙裂隙巖石試件在單軸壓縮的不同巖橋傾角下雙裂隙巖石試件在單軸壓縮試驗(yàn)中的最終破壞模式。可以看出雙裂隙試樣試驗(yàn)中的最終破壞模式?？梢钥闯鲭p裂隙試樣在單軸壓縮條件下的破壞模式明顯受預(yù)制裂隙在

9、單軸壓縮條件下的破壞模式明顯受預(yù)制裂隙控制，以沿反翼裂紋發(fā)生的軸向拉伸破壞為主，控制，以沿反翼裂紋發(fā)生的軸向拉伸破壞為主，局部伴有次生裂紋、遠(yuǎn)場(chǎng)裂紋以及少數(shù)剪切破局部伴有次生裂紋、遠(yuǎn)場(chǎng)裂紋以及少數(shù)剪切破壞和表面塊體剝落，數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)最終壞和表面塊體剝落，數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)最終破壞模式吻合良好。破壞模式吻合良好。 4.1 結(jié)論結(jié)論 本文通過(guò)采用基于改進(jìn)剛體彈簧法匯編的本文通過(guò)采用基于改進(jìn)剛體彈簧法匯編的Visual C+語(yǔ)言程序?qū)Ψ枪裁骐p裂隙巖石的破壞進(jìn)行數(shù)值模擬研究，語(yǔ)言程序?qū)Ψ枪裁骐p裂隙巖石的破壞進(jìn)行數(shù)值模擬研究，主要得出了以下結(jié)論：主要得出了以下結(jié)論：1.當(dāng)斷續(xù)雙裂巖石試樣巖橋角度當(dāng)

10、斷續(xù)雙裂巖石試樣巖橋角度為為0和和30時(shí)，兩者時(shí)，兩者的裂紋擴(kuò)展模式接近，裂隙和裂隙之間無(wú)貫通，當(dāng)?shù)牧鸭y擴(kuò)展模式接近，裂隙和裂隙之間無(wú)貫通，當(dāng)為為60，90以及以及120時(shí)，三者裂紋擴(kuò)展模式接近，裂時(shí)，三者裂紋擴(kuò)展模式接近，裂隙和裂隙之間出現(xiàn)一處貫通。隙和裂隙之間出現(xiàn)一處貫通。2. 計(jì)算結(jié)果中，試樣巖石的單軸抗壓試驗(yàn)得到抗壓強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果中，試樣巖石的單軸抗壓試驗(yàn)得到抗壓強(qiáng)度與黃彥華等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分接近，驗(yàn)證了數(shù)值模擬程與黃彥華等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分接近，驗(yàn)證了數(shù)值模擬程序以及編制的序以及編制的Visual C+語(yǔ)言程序的可行性和準(zhǔn)確性。語(yǔ)言程序的可行性和準(zhǔn)確性。 4.2 不足不足 1. 本文采用的算法涉及的不少參數(shù)是無(wú)法根據(jù)實(shí)體模本文采用的算法涉及的不少參數(shù)是無(wú)法根據(jù)實(shí)體模型得到的，而是要經(jīng)過(guò)不斷的試算和校核才能獲得。型得到的，而是要經(jīng)過(guò)不斷的試算和校核才能獲得。 2. 改進(jìn)剛體彈簧法中模擬的塊體是被完全切割的情況，改進(jìn)剛體彈簧法中模擬的塊體是被完全切割的情況，裂隙的擴(kuò)展只局限于單元間的界面上，而實(shí)際巖體的節(jié)裂隙的擴(kuò)展只局限于單元間的界面上，而實(shí)際巖體的節(jié)理裂隙并不完全貫通，隨著受力的變化，巖體有可能破理裂隙并不完全貫通，隨著受力的變化，巖體有可能破碎，從而改變裂隙的開(kāi)裂