應(yīng)力、滲流、溫度及損傷耦合作用下裂隙巖體破裂機(jī)理及廣義粒子動(dòng)力學(xué)(GPD)模擬分析.pdf

1、本文提出一種新的數(shù)值模擬計(jì)算方法-廣義粒子動(dòng)力學(xué)(GPD)算法對(duì)地下裂隙巖體在應(yīng)力、滲流及溫度耦合作用下裂隙擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行理論及數(shù)值研究。
　?、俨捎肏oek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)脆性巖體的裂隙啟裂、擴(kuò)展和連接進(jìn)行判斷。當(dāng)粒子的應(yīng)力滿足Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則時(shí)，粒子失效，根據(jù)失效粒子的破裂順序?qū)α严稊U(kuò)展路徑進(jìn)行描述。
　?、诓捎?GPD數(shù)值方法，建立巖體系統(tǒng)的應(yīng)力、滲流、損傷耦合模型。模擬研究了含水及不含水情況下，地下隧

2、道開挖卸荷后的裂隙擴(kuò)展規(guī)律，以及隧道圍巖的位移情況；研究了滲流場對(duì)應(yīng)力場及損傷場的影響。
　?、郾疚奶岢鲆环N新的“生成粒子算法”，來模擬豎向荷載和裂隙水壓耦合作用下巖體裂隙擴(kuò)展機(jī)理。當(dāng)張開裂紋的張開度達(dá)到一定程度時(shí)，攜帶水粒子參數(shù)的新粒子會(huì)在空白區(qū)域生成；根據(jù)Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)巖石粒子間虛擬鍵的斷裂進(jìn)行判斷；斷裂虛擬鍵只能夠承受粒子間的壓應(yīng)力作用，而不能承受拉應(yīng)力作用；裂隙水壓對(duì)翼型裂紋起裂角及起裂位置有很大影響，隨著

3、裂隙水壓的增大，翼型裂紋的擴(kuò)展方向與預(yù)置裂紋軸線的夾角逐漸增大，起裂位置逐漸向預(yù)置裂紋軸線方向移動(dòng)。
　?、懿捎肎PD數(shù)值方法，建立巖體的應(yīng)力、溫度、損傷耦合模型。在基質(zhì)熱膨脹系數(shù)小于內(nèi)嵌材料的熱膨脹系數(shù)時(shí)，內(nèi)嵌顆粒處于靜水壓力狀態(tài)，基質(zhì)材料在徑向方向受壓，環(huán)向方向受拉，由于巖石材料抗拉強(qiáng)度較低，在環(huán)向拉力作用下會(huì)產(chǎn)生徑向裂紋；在基質(zhì)熱膨脹系數(shù)大于內(nèi)嵌材料的熱膨脹系數(shù)時(shí)，內(nèi)嵌顆粒處于拉伸狀態(tài)，基質(zhì)材料則在徑向方向受拉，環(huán)向方向受壓

4、，此時(shí)最大拉應(yīng)力位于內(nèi)嵌材料和基質(zhì)材料的接觸面位置，即在接觸面位置，基質(zhì)材料發(fā)生拉伸破壞。
　?、菰?GPD數(shù)值方法中，建立巖體的溫度、滲流耦合計(jì)算模型?？紤]溫度場影響時(shí)，一方面，洞室開挖后周邊圍巖溫度降低，導(dǎo)致巖體滲透系數(shù)降低；另一方面，溫差的存在對(duì)滲流擴(kuò)散產(chǎn)生影響，導(dǎo)致洞室周邊裂隙水的滲流速度明顯比不考慮溫度場時(shí)偏低，滲流跡線在相同滲流時(shí)間段內(nèi)擴(kuò)展長度減小。在滲流作用條件下，由于宏觀裂隙滲流的影響，造成在裂隙處溫度場分布不均，

5、溫度降低較慢，同時(shí)由于滲流的影響，隨著計(jì)算步加大，溫度場向外擴(kuò)展，溫度場在含宏觀裂隙的位置出現(xiàn)溫度傳播受阻的情況。這表明，不僅溫度對(duì)滲流場有較大影響，滲流場對(duì)溫度場也有較大影響。
　?、拊趹?yīng)力、滲流、溫度、損傷耦合情況下，不同側(cè)壓力系數(shù)對(duì)洞室周圍巖體損傷區(qū)的擴(kuò)展有較大影響。當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)較小時(shí)，洞室拱頂上方及底板下方損傷區(qū)擴(kuò)展范圍較大，宏觀裂隙開裂水平也較高；隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大，洞室周邊拉應(yīng)力區(qū)逐漸減小，宏觀裂隙的開裂水平也逐漸減