考慮塊體內(nèi)耦合作用及錨桿塑性效應(yīng)的非連續(xù)變形分析方法.pdf

1、隨著大型水利水電工程以及深部資源開發(fā)工程的飛速發(fā)展，巖石非連續(xù)大變形問題的理論與計(jì)算成為學(xué)術(shù)界研究的焦點(diǎn)。塊體系統(tǒng)非連續(xù)變形分析(DDA)是近三十年來才發(fā)展起來的一種新的數(shù)值計(jì)算方法，它在滿足彈性理論基本方程的條件下能夠反映出巖體變形的不連續(xù)性，既具有離散元法可計(jì)算塊體大位移的特點(diǎn)，又具有有限元理論基礎(chǔ)的嚴(yán)密性，具有廣泛的應(yīng)用前景，是目前巖土工程分析中的研究熱點(diǎn)之一。非連續(xù)變形分析方法由于發(fā)展的較晚，在工程應(yīng)用方面有諸多的局限性。本文對

2、非連續(xù)變形分析方法進(jìn)行了改進(jìn)，考慮了位移收斂準(zhǔn)則和錨桿的塑性變形。然后建立了非連續(xù)變形分析方法與有限元方法的耦合程序，討論了并行算法。最后結(jié)合四川巴底水電站項(xiàng)目對該方法進(jìn)行了深入研究，主要研究了等效力學(xué)參數(shù)的確定和動(dòng)態(tài)施工過程等。本文的主要工作概括如下:
　　1.對非連續(xù)變形分析方法進(jìn)行了改進(jìn)，加入了位移收斂判斷準(zhǔn)則。然后采用非連續(xù)變形分析方法對雙裂隙巖塊進(jìn)行單軸和雙軸壓縮模擬試驗(yàn)，研究了裂隙角度和側(cè)向應(yīng)力大小對巖塊特性的影響，得

3、到了裂隙巖塊在這兩種加載試驗(yàn)中的破壞過程和應(yīng)力—應(yīng)變曲線，同時(shí)也得到了巖塊中裂隙的起裂應(yīng)力和巖塊的峰值強(qiáng)度。在雙軸壓縮模擬試驗(yàn)中繪制了裂隙角度為45°巖塊在不同側(cè)向壓力下的強(qiáng)度包絡(luò)線，并根據(jù)包絡(luò)線方程式確定參數(shù)的c、ψ的取值，同時(shí)根據(jù)等效連續(xù)介質(zhì)分析方法分析了某地下洞室的穩(wěn)定性。隨后，在程序中加入了錨桿的塑性變形力學(xué)模型，并采用改進(jìn)后的程序模擬了劈裂試驗(yàn)中含裂隙試塊的錨固效果，得到錨桿的塑性力學(xué)特性可以更好的描述錨桿的受力，更貼近工程實(shí)

4、際情況。
　　2.應(yīng)用有限元參數(shù)化設(shè)計(jì)語言APDL，開發(fā)了非連續(xù)變形分析方法程序與有限元程序圖形用戶界面的接口程序ANSYS2DDARF，可以生成BLAC文件，使前處理更加直觀方便。同時(shí)，在線性位移模式下，推導(dǎo)了非連續(xù)變形分析程序和有限元程序耦合方法的總體平衡方程，并且詳細(xì)推導(dǎo)了相應(yīng)的的彈性子矩陣、慣性子矩陣、荷載子矩陣和接觸子矩陣等。非連續(xù)變形分析方法與有限元方法耦合后，每個(gè)塊體的自由度由網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的數(shù)量所確定，更加準(zhǔn)確的描述了塊

5、體的變形。最后采用耦合分析方法分析了某地下洞室圍巖的位移影響因素，得到側(cè)壓力系數(shù)、圍巖破碎面粘聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度對圍巖的位移影響較大，同時(shí)頂拱為支護(hù)的關(guān)鍵位置，為工程提供了參考。
　　3.考慮了非連續(xù)變形分析方法基于OpenMP的并行算法。首先提出了剛度矩陣并行組裝策略，對非連續(xù)變形分析的剛度矩陣進(jìn)行了并行化處理。然后對非連續(xù)變形分析的方程組計(jì)算采用改進(jìn)的SSOR-PCG方法。最后通過算例表明改進(jìn)后的并行算法可以使程序具有良

6、好的加速比，明顯的提高了模型的計(jì)算速度。
　　4.在非連續(xù)變形分析方法的實(shí)際工程應(yīng)用中，以四川巴底水電站地下洞室群為研究背景，首先數(shù)值模擬中的力學(xué)參數(shù)考慮了巖體中節(jié)理的隨機(jī)性和巖體力學(xué)參數(shù)的不確定性，通過現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬的方法進(jìn)行等效確定。然后研究了動(dòng)態(tài)施工方法，突出了對開挖順序、分步開挖、分步支護(hù)過程進(jìn)行模擬計(jì)算分析，并給出相應(yīng)的解決方法，使程序可以更加真實(shí)的反映實(shí)際施工過程。
　　5.將非連續(xù)變形分析方法與有限元方