裂隙岩体锚固效应数值模拟研究

论文摘要

自然界中的岩体由于地质运动,其中遍布大量不连续面,包括节理、层面、断层等地质构造形式。不连续面的存在使得岩体的力学性能有了很大的削弱,给工程施工埋下了很大隐患。锚杆锚固是加固节理面的一种最有效、最经济的支护方式。近几年来随着锚固技术的日益完善,锚固工程在它独有岩土加固领域显示着越来越旺盛的生命力。然而,加锚后岩体的力学特性仍未完全掌握,工程施工一般都依靠一些施工者的经验,即使有很多研究者在模型实验方面作了大量的研究,但是由于模型实验的自身缺点和一些计算方法的局限性,使得锚固技术的理论研究远远落后于在技术方面的进展。无网格伽辽金法(EFGM),用移动最小二乘法插值构造试函数,从能量泛函的伽辽金弱变分形式得到控制方程,通过引入罚函数满足本征边界条件,具有求解精度高,后处理简单等优点,在处理裂纹方面具有非常明显的优势。经过对无网格伽辽金法进行系统的了解后,计算了受均布荷载的简支梁应力、位移场和圆孔孔边的应力值并和经典的梁理论、板理论的解析解作对比,获得良好的精确度。通过结果的比对,获得了无网格伽辽金方法中几个重要参数的取值问题,并且验证了所采取方法以及编写程序的正确性。选取合适的裂纹扩展判据：周向拉应力准则。用无网格伽辽金法模拟了受压岩体中裂纹的初次扩展参数,与经典的弹性理论结果吻合得较好。可见,无网格伽辽金法在求解裂纹扩展问题中能满足工程上的精度要求,具有推广应用的价值。在验证程序和所选取判据正确的基础上,求解了斜置裂纹在受拉应力状态下裂纹的扩展参数。从能量的角度出发,推导了考虑碳纤维布(CFRP)存在的修正变形能,整理得到修正后的EFGM控制方程。用平直裂纹中间CFRP加固算例,验证了公式和程序的可行性。并计算了CFRP的加持对含平直裂纹的矩形板在力学性能上的提高,同时研究了CFRP的弹性模量的变化对模型力学性能的影响。着重研究了考虑CFRP存在的无网格伽辽金法在斜置裂纹扩展中的应用。首先,对两端加锚后裂纹尖端的应力场做了一些相应研究,对两端加锚的模型破坏模式做了简短的介绍,为以后的工作提出了建议。分析了几种加锚方案计算因为加固位置、加固角度的不同对锚固效果的影响。

论文目录

• 目录
• CATALOG
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 无网格Galerkin法的研究进展
• 1.3 无网格法在裂纹扩展方面的进展
• 1.4 岩石锚固研究进展
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第二章 无网格伽辽金法
• 2.1 移动最小二乘法
• 1.基本概念
• 2.形函数及其导数
• 3.权函数
• 2.2 平面问题
• 1.弹性力学的二维问题
• 2.离散数学模型
• 3.边界条件的处理
• 2.3 数值实现
• 1.积分背景网格
• 2.高斯积分
• 3.形函数及其导数
• 2.4 悬臂梁弯曲
• 2.5 圆孔的孔边应力集中
• 2.6 本章小结
• 第三章 裂纹扩展的数值模拟
• 3.1 不连续性处理
• 3.2 平面裂纹扩展准则
• 3.3 平面裂纹路径的描述
• 3.4 局部坐标系中周向应力
• 1.坐标系变换
• 2.局部坐标系中的周向应力
• 3.5 修正的弹性系统总势能及弹性离散模型
• 1.修正的弹性系统总势能
• 2.弹性离散模型
• 3.6 轴向压缩情况下斜置裂纹初始扩展
• 3.7 轴向拉伸情况下斜置裂纹初始扩展
• 3.8 本章小结
• 第四章 无网格方法在工程锚固方面的应用
• 4.1 岩土锚固技术在工程中的应用
• 1.在边坡加固工程中的应用
• 2.在基坑、巷道支护工程中的应用
• 3.在公路桥梁中的应用
• 4.2 岩土锚固相关的理论研究
• 4.3 碳纤维布在工程加固中的应用
• 4.4 考虑CFRP的无网格伽辽金法
• 1.修正的弹性系统总势能
• 2.离散弹性模型
• 4.5 平直裂纹加固
• 4.6 本章小结
• 第五章 斜置裂纹锚固效应研究
• 5.1 节理岩体的锚固
• 5.2 材料参数的选取
• 5.3 含斜置裂纹板加固方案
• 5.4 裂纹尖端应力场
• 5.5 加固方案与加固效应
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 学位论文评阅及答辩情况表