格构细胞机模型在岩石劈裂过程中的数值模拟研究

基于弹塑性损伤理论,结合格构细胞机以及格构模型的优点,提出了格构细胞机模型,用于模拟岩石的劈裂破坏机理并取得了较好的结果.

锦屏I级水电站地下厂房围岩变形破裂的三维损伤流变分析

锦屏I级水电站处于高地应力区,地下厂房围岩在此是表现有一定塑性的大理岩。在工程开挖后围岩和支护结构的变形开裂特征明显。针对这些特点,采用损伤流变耦合的三维模型和分析方法,结合运用裂隙张开产生的附加变形分析法,对该工程地下厂房洞室群的稳定性进行分析,将厂房若干关键点的位移量与实测值进行对比,取得了较好的结果;同时,对洞室的长期时效变形进行预测分析。

脆性裂隙围岩的损伤力学分析及现场监测研究

我国西南地区许多水电站基岩为脆性围岩或位于高地应力区。其地下式厂房洞群边墙经常出现较深的开裂区。采用断裂和损伤力学模型结合现场监测工作来研究此现象。该模型可考虑多组节理中裂隙面的各种几何损伤参数。根据应变等效假设可得到基于莫尔-库仑准则的损伤本构方程。运用断裂力学原理分析岩体在开挖过程中原有裂隙产生次生裂纹的现象,推导出岩桥贯通的破坏准则和损伤演化方程并将前述的模型程序化。再运用该新的分析程序对一个水电站洞群工程进行稳定性分析。最后,运用该工程现场监测数据得到的围岩松弛开裂区深度与程序推算的结果做比较,说明二者的劈裂区发育规律很相近。

高地应力条件下高边墙洞室劈裂破坏机制分析方法与工程应用研究

本文以瀑布沟水电站主厂房高边墙洞室为工程背景,开展高地应力条件下高边墙洞室开挖卸荷真三维地质力学模型试验,系统研究劈裂破坏现象的产生条件与影响因素;在地质力学模型试验研究的基础上,通过理论方法建立基于应变梯度的地下洞室劈裂破坏弹塑性损伤软化模型,根据复变函数构建高边墙洞室劈裂破坏解析分析方法,依托ABAQUS平台开发地下洞室劈裂破坏计算分析程序。通过模型试验、理论研究和和数值模拟,有效揭示出地下洞室劈裂破坏的产生条件与破坏机制。论文主要研究成果如下:(1)通过高地应力条件下高边墙洞室劈裂破坏真三维物理模型试验,精细模拟出地下洞室开挖卸荷出现的平行分层劈裂破坏现象,揭示地下洞室劈裂破坏的产生条件与影响因素,获得地下洞室围岩位移、应变和应力呈现波峰与波谷间隔分布的振荡性衰减变化规律。(2)通过岩石破坏过程的尺寸效应与应变梯度特征分析,建立含应变梯度的可描述岩石塑性硬化和应变软化的屈服函数,基于应变梯度和塑性损伤理论建立深部洞室劈裂破坏弹塑性损伤软化模型。(3)通过复变函数保角变换法获得由高边墙洞室外域到单位圆外域的映射函数,推导出相关位移场与应力场的复数表达形式,提出高边墙洞室劈裂破坏弹塑性解析分析方法,获得高地应力条件下高边墙洞室位移和应力的解析变化规律。(4)根据建立的劈裂破坏弹塑性损伤软化模型,提出隐式时间积分格式,构建高阶六面体单元并推导其高阶单元的形函数与刚度矩阵,提出地下洞室劈裂破坏的数值分析方法,并依托有限元软件ABAQUS开发相应的计算分析程序。(5)通过模型试验、理论分析和数值模拟,揭示出地下洞室的劈裂破坏机制,即:洞区初始最大主应力平行于洞轴方向且量值达到一定程度(0.21~0.7倍围岩单轴抗压强度)是高边墙洞室产生劈裂破坏的重要条件。当洞区平行于洞轴方向的初始最大主应力量值超过0.7倍围岩单轴抗压强度时,高边墙洞室将由劈裂破坏向分区破裂转化。开挖卸荷高边墙洞壁应力出现波峰与波谷间隔交替的振荡变化是引起劈裂破坏的根本力学成因。研究分析表明:弄清劈裂破坏范围并合理优化洞室布局对保证高边墙洞室施工和运行安全十分重要。

层状岩体损伤破坏特征数值模拟

为更深入了解层状岩体的力学特性,首先基于细观损伤力学理论,运用体积平均化的方法,推导了微裂纹对岩体弹性柔度矩阵的贡献;然后基于不可逆热力学框架,导出了损伤矢量的损伤破坏方程;最后建立了层状岩体的损伤破坏本构模型,并通过数值计算模拟了层状岩体的损伤破坏特征,与室内试验结果吻合较好。巴西圆盘劈裂数值试验研究表明:岩体试样的破裂面均从加载点起裂;层理倾角0°、90°时,破裂面为通过加载中心和试样中心的近似平面,层理倾角为其他角度时,破裂面为偏离了加载中心的曲面。与室内试验结果对比可知,本文二次开发的本构模型能够较好地预测层状岩体渐进破坏的各向异性。

高边墙洞室劈裂破坏机制的试验与理论及计算分析研究

高边墙洞室的劈裂破坏现象已成为影响大型水电站地下厂房施工开挖安全的重要因素。为弄清劈裂破坏现象的形成机制,以瀑布沟水电站地下主厂房高边墙洞室为研究背景工程,开展真三维高地应力条件下高边墙洞室开挖卸荷三维地质力学模型试验,揭示高边墙洞室开挖卸荷的非线性变形特征与劈裂破坏规律。在地质力学模型试验研究的基础上,建立基于应变梯度的地下洞室劈裂破坏弹塑性损伤软化模型和岩体劈裂破坏准则,并据此依托ABAQUS软件开发地下洞室劈裂破坏计算分析程序,通过多工况数值模拟分析,有效揭示高边墙洞室劈裂破坏的产生条件和形成力学机制。研究表明:洞区初始最大主应力平行于洞轴向且其量值达到一定程度是产生劈裂破坏的重要条件;开挖卸荷过程中高边墙洞壁应力出现波峰与波谷间隔交替的振荡变化是引起劈裂破坏的根本力学成因,该研究成果为下一步进行高边墙洞室劈裂破坏防治提供了重要试验和理论依据。