节理岩体各向异性屈服准则的研究及应用

论文摘要

岩体是由岩石材料和各种宏观地质结构面组成的复合结构体。岩体结构中由于地质构造作用产生的大量尺度不同的结构面使岩体力学性质呈现出非常复杂的不连续性、非均匀性和强烈的各向异性。这些结构面在相当大的程度上影响和控制着岩体的力学变形特性和岩体工程的失稳破坏。因此,在实际岩体工程中,有必要通过一定的科学方法得到考虑岩体结构面的反映岩体力学性质的综合参数指标。本文的主要研究内容是综合利用岩体裂隙统计资料和裂隙网络模拟技术,确定岩体的综合抗剪强度参数,并建立各向异性屈服准则,通过对ABAQUS软件的二次开发,按各向异性材料对岩体工程进行数值模拟分析,在模拟分析基础上,通过编制Fortran程序对岩体工程进行稳定性分析。论文的主要研究工作与研究成果归纳如下：（1）对岩体工程数值分析方法、模拟技术及各向异性屈服准则的基本理论方法和研究现状进行了概述,并对当前研究中存在的主要难点进行了分析评价,在此基础上,提出了本文的研究重点和研究方法。（2）在研究平面有限域、有限线段和平面点的相互位置关系及判断准则的基础上,编制了利用蒙特卡洛方法生成二维随机裂隙网络模拟图的Fortran程序；根据动态规划法编制了搜索最小抗剪路径的Fortran程序,得出了岩体各方向上的综合抗剪强度指标。（3）将各方向的岩体综合抗剪强度参数引入各向同性Mohr-Coulomb剪切屈服准则中,并综合考虑受拉屈服的Rankine准则,研究了各向异性屈服准则的一般理论方法。在此基础上,对各向异性屈服准则及其数值实现方法进行了研究,利用Fortran语言编制了相应的计算程序,并引入ABAQUS中。理论分析和数值分析表明,各向异性材料的屈服面不一定与最大剪应力面重合；将Rankine准则和Mohr-Coulomb模型综合起来考虑可改进Mohr-Coulomb模型对材料抗拉强度过高估计的缺点,更符合工程实际。各向异性屈服准则能真实的模拟各向抗力与响应的相互关系反映出的岩体破坏。（4）利用本文提出的各向异性屈服准则对典型重力坝进行各向异性数值模拟分析,在此有限元计算基础上,编制了自动搜索坝基深层滑动面的Fortran程序,并由此计算其最小安全系数来评价坝基稳定性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 岩体工程数值分析方法综述
• 1.2.2 岩体力学参数取值方法
• 1.2.3 节理岩体裂隙网络模拟技术
• 1.2.4 岩体各向异性研究进展
• 1.3 本文的主要工作和技术路线
• 2 岩体结构面网络的计算机模拟
• 2.1 前言
• 2.2 随机样本的计算机生成
• 2.2.1 （0,1）区间内均匀随机数的产生
• 2.2.2 （a,b）区间内均匀分布随机变量的产生
• 2.2.3 负指数分布随机变量的产生
• 2.2.4 正态分布随机变量的产生
• 2.2.5 对数正态分布随机变量的产生
• 2.3 岩体结构面计算机模拟网络的生成
• 2.3.1 网络模拟中的几个基本假设
• 2.3.2 单位面积内节理面数目η的确定
• 2.3.3 结构面网络产生的步骤
• 2.4 确定岩体的连通率
• 2.4.1 连通率的定义
• 2.4.2 结构面与岩桥的破坏理论
• 2.4.3 结构面和岩桥的基本组合形式及其抗剪力R的计算
• 2.4.4 搜索最短破坏路径和连通率的计算
• 2.4.5 根据连通率确定岩体的综合强度
• 2.5 算例
• 2.6 小结
• 3 考虑节理岩体强度各向异性的非线性有限元数值模拟
• 3.1 ABAQUS及其用户子程序接口
• 3.2 各向异性屈服准则的实现
• 3.2.1 节理岩体连通率及抗剪强度参数计算
• 3.2.2 各向异性屈服准则的基本理论
• 3.2.3 基于Rankine准则和各向同性Mohr-Coulomb准则的各向异性屈服准则的数值实现
• 3.3 程序验证
• 3.3.1 悬臂梁自由端受集中荷载作用
• 3.3.2 简支梁受集中荷载作用
• 3.4 算例
• 3.5 小结
• 4 有限元法抗滑稳定分析
• 4.1 有限元进行抗滑稳定分析的常见形式
• 4.2 坝基深层滑动面搜索程序
• 4.2.1 搜索程序的力学原理
• 4.2.2 计算几何算法
• 4.2.3 搜索程序流程
• 4.3 算例
• 4.3.1 边坡滑动面搜索
• 4.3.2 坝基滑动面搜索
• 4.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢