节理岩体正交各向异性等效力学参数与屈服准则研究及其工程应用

论文摘要

节理岩体中通常包含大量分布复杂、尺度各异的结构面,这些结构面的存在决定了岩体在力学性质上的非线性、非均匀性、非连续性、各向异性及有条件转化性。岩体的上述特性使得岩体参数的取值具有高度的复杂性,在实际岩体工程分析中,通常需要抓住影响岩体变形与破坏的主要因素,通过一定的科学方法得到能够反映岩体力学性质的等效参数。本文的主要研究内容是综合利用现场岩体地质勘察资料、裂隙统计资料、现场岩体试验成果、室内岩块试验成果及裂隙网络模拟技术,确定宏观岩体正交各向异性等效变形参数和抗剪强度参数,并建立正交各向异性屈服准则,通过对FLAC3D软件的二次开发,按正交各向异性材料对岩体工程进行数值模拟分析。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、岩体等效参数取值方法和裂隙网络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）在研究空间有限面域、有限线段和空间点的相互位置关系及其判断准则的基础上,提出了利用平面四边形模拟岩体结构面,生成三维随机裂隙网络的方法;利用岩体模型中结构面面积矢量的概念,提出以结构面面积矢量在三个相互垂直截面上的投影面积与岩体体积之比作为岩体REV尺度指标,并得出了岩体REV尺度约为各组结构面中最大迹长期望值的3～4倍的结论。（3）根据岩体结构面变形特点,提出了考虑初始应力状态及结构面力学参数影响的结构面法向位移本构关系;利用等效连续应变理论得到岩体在不同方向上的等效应变,再根据正交各向异性弹性本构模型将一般各向异性变形等效为正交各向异性变形,确定其相应的等效变形参数。为了求解由正交各向异性本构关系建立的带约束条件的矛盾方程组,利用最小二乘法的基本思想,提出了“区间枚举法”来求解弹性变形等效参数的最优解。（4）利用损伤力学理论,研究了包含多组裂隙时岩体的损伤变量计算方法,然后以损伤变量作为加权系数,以岩块强度参数和结构面强度参数的加权平均值作为岩体等效强度参数,得到岩体在空间各方向上的等效粘聚力和摩擦系数。将岩体等效抗剪强度参数的空间变化轨迹拟合为正交各向异性强度参数,得到等效强度参数的空间变化轨迹方程（为空间椭球面方程）。（5）将岩体等效粘聚力和摩擦系数的空间变化轨迹方程引入Mohr-coulomb屈服准则中,建立起正交各向异性屈服准则。理论分析和算例验证表明,正交各

论文目录

第一章绪论

1.1 引言

1.2 国内外岩体工程研究现状

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研究综述

1.2.3 节理岩体裂隙网络模拟技术综述

1.2.4 岩体各向异性研究进展

1.3 论文的研究目的及主要研究内容

1.3.1 建立节理岩体三维裂隙网络

1.3.2 利用裂隙网络确定岩体等效参数

1.3.3 建立正交各向异性剪切屈服准则

1.3.4 岩体工程数值分析基本程序与节理模拟方法研究

1.3.5 研究成果运用于三峡永久船闸高边坡数值分析

1.4 论文研究的理论方法与技术路线

1.4.1 论文研究理论方法

1.4.2 论文研究技术路线

1.5 论文的主要创新点

第二章节理岩体裂隙网络模拟技术及岩体REV尺度研究

2.1 基本数学理论

2.1.1 矢量基本运算

2.1.2 集合论基本理论

2.2 平面四边形描述岩体结构面的基本理论

2.2.1 空间有限面域数学描述及其与空间点的相互关系

2.2.2 空间有向线段数学描述及其与空间点的相互关系

2.2.3 空间有向线段间的相互关系

2.2.4 空间有向线段与有限面域的相互关系

2.2.5 空间有限面域间的相互关系

2.3 四边形平面模拟裂隙网络所需几何参数研究

2.3.1 四边形平面描述结构面所需几何参数分析

2.3.2 结构面几何参数随机模型的数学描述

2.3.3 裂隙网络几何参数取值研究

2.4 裂隙网络中结构面力学参数随机性研究

2.4.1 结构面变形参数随机性研究

2.4.2 结构面抗剪强度参数随机性研究

2.5 岩体REV尺度研究

2.6 裂隙网络模拟程序开发

2.6.1 程序主要功能模块及程序流程

2.6.2 程序主要用户界面

2.7 算例验证

2.7.1 裂隙网络基本资料

2.7.2 裂隙网络成果输出

2.7.3 岩体REV尺度分析

2.8 本章小结

第3章岩体正交各向异性等效变形参数研究

3.1 引言

3.2 岩体结构面变形研究

3.2.1 结构面本构关系综述与评价

3.2.2 结构面变形计算

3.3 岩体等效应变研究

3.3.1 坐标系变换

3.3.2 正交各向异性弹性本构模型

3.3.3 节理岩体等效应变计算

3.4 岩体正交各向异性变形参数研究

3.4.1 正交各向异性变形参数计算的基本思路

3.4.2 正交各向异性变形参数计算

3.5 正交各向异性变形参数计算程序开发

3.5.1 程序流程

3.5.2 程序功能模块与用户界面

3.6 算例验证

3.6.1 基本数据

3.6.2 计算成果分析

3.6.3 正交各向异性岩体弹性变形数值分析算例

3.7 本章小结

第4章岩体正交各向异性等效强度参数研究

4.1 引言

4.2 节理岩体的损伤变量研究

4.2.1 损伤力学研究回顾

4.2.2 包含单组结构面岩体的损伤变量计算

4.2.3 包含多组结构面岩体的损伤变量计算

4.3 岩体等效抗剪强度参数研究

4.3.1 结构面抗剪强度参数研究综述

4.3.2 岩体等效抗剪强度参数计算

4.4 等效抗剪强度参数计算程序开发

4.4.1 程序流程

4.4.2 程序功能模块及用户界面

4.5 算例验证

4.5.1 基本资料

4.5.2 计算成果分析

4.6 本章小结

第5章正交各向异性剪切屈服准则研究

5.1 引言

5.2 正交各向异性屈服准则研究

5.2.1 各向同性Mohr-Coulomb屈服准则基本理论

5.2.2 各向异性屈服准则基本理论

5.2.3 正交各向异性屈服准则研究

3D软件中的实现'>5.3 正交各向异性屈服准则在FLAC^3D软件中的实现

3D中的Mohr-coulomb准则简介'>5.3.1 FLAC^3D中的Mohr-coulomb准则简介

3D软件'>5.3.2 正交各向异性屈服准则引入FLAC^3D软件

5.4 算例验证

5.5 本章小结

第6章节理岩体结构面模拟方法及数值分析基本程序探讨

6.1 岩体结构面数值模拟分析一般原则

6.2 岩体工程数值模拟分析基本程序

3D进行节理岩体数值分析'>6.3 运用FLAC^3D进行节理岩体数值分析

3D软件主要特点与功能简介'>6.3.1 FLAC^3D软件主要特点与功能简介

3D中界面接触单元基本理论及其功能改进'>6.3.2 FLAC^3D中界面接触单元基本理论及其功能改进

6.4 本章小结

第7章三峡永久船闸高边坡正交各向异性数值模拟分析

7.1 工程概况

7.2 高边坡数值模型建立及岩体等效参数计算

7.2.1 高边坡数值模型建立

7.2.2 岩体等效参数计算

7.3 高边坡正交各向异性变形与剪切屈服区计算

7.3.1 计算本构模型及计算参数

7.3.2 高边坡正交各向异性变形计算分析

7.3.3 高边坡正交各向异性剪切屈服区计算分析

7.3.4 主要结论

7.4 本章小结

第8章结论与展望

8.1 本文结论

8.2 未来工作展望

参考文献

个人简历及攻读博士期间发表的论文

攻读博士期间参加的科研项目

致谢

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