基于连续-非连续方法的裂隙破坏与相互作用研究

岩体内裂隙等非连续结构面对岩体的强度及变形等力学特性有着显著的影响,研究岩体裂隙起裂、扩展、相互作用和贯通机制,对工程岩体力学行为的表征和工程性能的评价十分重要。本文基于连续介质力学模型的离散元方法,通过考虑裂隙分布、模型加载条件及其与裂隙产状的关系,建立了一系列裂隙力学计算模型,研究了不同模型裂隙扩展演化特征和岩体破裂机制,分析了岩体裂隙扩展规律及其对岩体破坏路径和强度的影响,研究结果表明:（1）裂隙岩体模型加载条件下的破坏起裂点、最终贯通破坏特征及损伤分布受控于裂隙的产状及其与最大主压应力取向角度大小及围压大小。（2）裂隙弱面走向与最大主压应力取向斜交时,裂隙弱面在加载条件下其端部裂隙扩展、贯通破坏表现比较明显,反之,当裂隙弱面走向与最大主压应力取向一致时,裂隙弱面被动影响裂隙模型内新生裂隙的萌生、扩展和贯通模式,自身未出现新的扩展破坏。（3）裂隙数目的增多和围压的增大会显著增加模型内部剪切裂缝的数量和模型破坏后的破碎程度,模型内部的损伤区域主要围绕破裂面呈滑移线型交叉分布,非破裂面区域损伤呈条带状X型分布。（4）裂隙弱面走向与最大主压应力取向斜交时,裂隙对岩体模型强度的弱化程度高于裂隙弱面走向与最大主压应力取向一致的情况,而裂隙模型破坏后的残余强度则正好相反。     

不连续面激活与巷道围岩破坏区关系的探讨

岩体的破坏往往是其中不连续面滑移与扩展的结果。在不连续面有效剪应力概念的基础上,提出了巷道临空不连续面激活的观点。分析了圆形断面巷道围岩中临空不连续面的激活深度,认为不连续面的激活深度与其倾角及抗剪强度有关,其中,抗剪强度对激活深度的影响较大,同样倾角的不连续面在巷道不同部位的激活深度也并不相同。采用岩体断裂力学的理论,分析了临空不连续面横向翼形裂纹扩展的模式,认为产生翼形裂纹最大可能的部位就是激活临界点。因此,巷道围岩中最大可能的破坏区深度即为不连续面的激活深度。     

公路隧道局部塌方洞段的围岩稳定性评价

结合某公路隧道工程,以现场地质调查和监测资料为基础,在结构面发育且可能发生大规模塌方的围岩洞段,根据现场实际统计的优势结构面产状,采用关键块体理论、非连续变形方法（DDA）首先确定围岩主要的失稳破坏模式,然后运用连续介质分析程序FLAC,在DDA方法确定的围岩实际变形破坏塌方形态的基础上进行计算分析,评价围岩的整体稳定性及加固措施的有效性。分析表明,围岩破坏的主要模式为受结构面控制的局部块体的失稳,工程开挖后围岩不会发生大变形,这与实际情况基本一致,为安全施工提供了保证。采用非连续变形方法和连续介质计算相结合的分析方法对隧道工程塌方稳定性进行研究,取得了较好的效果,研究方法和经验可为类似工程参考并借鉴。     

基于非连续变形分析方法的深部沿空掘巷围岩变形破坏及控制机制对比研究

利用非连续变形分析方法（DDARF）对单节理锚固试件在单轴压缩条件下的变形破坏及裂隙扩展过程进行分析,并以深部厚顶煤综放沿空掘巷--赵楼煤矿11302工作面轨道巷为工程背景,应用DDARF对沿空巷道围岩的变形破坏及控制机制进行研究,同时利用地质力学模型试验及现场试验进行对比验证。重点分析了沿空巷道围岩裂隙演化规律,并定义裂隙率 及裂隙减少率 两个指标对DDARF计算中的沿空巷道裂隙演化规律进行定量分析。研究结果表明：采用DDARF方法对单节理试件在无锚和加锚条件下的单轴压缩试验计算与室内试验结果相吻合;对沿空掘巷过程中巷道围岩变形情况进行DDARF计算,结果显示,围岩变形呈现沿空帮>顶板>实体帮>底板的变化趋势,与模型及现场试验监测数据相符;根据 及 两个指标对计算得到的无锚和加锚沿空巷道围岩裂隙发育情况进行定量分析,结果显示,沿空巷道围岩破坏趋势为 ,与变形趋势相一致;虽然锚固效果明显,但由于Ⅰ区、Ⅱ区本身围岩破碎严重,支护后裂隙率最大的 仍然是裂隙率最小的 的2.13倍,为了维护围岩稳定性,除了进行锚杆（索）非对称支护外,还应对Ⅰ区、Ⅱ区关键部位增加支护措施。DDARF方法关于沿空巷道围岩变形破坏的计算结果与实际工程相近,可有效开展裂隙演化与变形破坏机制研究,分析此类巷道的控制对策。     

基于三维离散-连续耦合的岩溶隧道突水破坏模式研究

岩溶隧道在修建的过程中难以避免接近溶腔甚至高承压水溶腔,而突水破坏极易引发安全事故甚至对隧道产生不可逆的影响,因此对岩溶隧道突水破坏模式的研究有利于解决相关安全问题,并对选线安全具有一定参照意义。通过三维离散-连续耦合数值技术,对微观离散颗粒物理、力学参数进行标定并验证,模拟水压作用下下伏溶腔与隧道仰拱之间的防突岩体垮塌过程。根据试验结果将防突岩体的破坏模式分为3类：剪切破坏模式、弯折破坏模式和复合破坏模式。弯折破坏模式表现为防突岩体中部和两端拉伸裂缝呈贯通状;剪切破坏模式表现为防突岩体两端裂缝呈剪切态;复合破坏模式则同时具有二者的共同特性。3种破坏模式所引起的裂缝发育规律相似,均可分为初始发育、快速发育和平缓发育3个阶段。初始发育阶段时防突岩体所存在的裂缝数量较少;维持水压力防突岩体的裂缝数量突增并进入快速发育阶段;而后防突岩体中的裂缝产生贯通效果进入平缓发育阶段,最终防突岩体整体垮塌。由此得出结论：突水破坏在岩溶隧道中是一个渐变的过程,但对岩溶隧道总体安全性有不可逆的影响。     

利用锚杆轴力量测定围岩破坏区的方法

本文系统总结了锚杆轴力分布型式,分析了各轴力分布型式的力学机理。结果表明,在围岩不同区内,锚杆所受剪切力具有不同的特点,而且,锚杆所受剪切的特点在锚杆轴力分布中得到了反映。根据以上关系,提出了利用锚杆轴力量测确定围岩破坏区的方法。     

连拱隧道围岩变形和破坏形态的DDA分析

连拱隧道围岩一般为由节理结构面相互切割的非连续岩体,利用非连续性分析方法研究这类围岩的变形和破坏形态可以更好地反映工程实际情况。采用非连续变形分析方法 DDA,对金鸡山连拱隧道围岩的变形和破坏过程进行了模拟,将整个变形破坏过程划分为了3个阶段：中墙上方岩体变形、地表下沉、滑移面产生阶段、隧道左右洞两侧滑移带（或滑移面）的形成阶段以及中墙顶部块体失稳、隧道上方岩体快速塌落阶段。研究了金鸡山隧道浅埋围岩和深埋围岩的变形破坏特征,其中边墙部位、靠近中墙的内侧拱顶或拱肩部位、外侧拱肩部位会首先受到变形破坏。     

复合冲击作用下PDC钻齿破岩过程连续-非连续数值模拟研究

复合冲击钻进是兼具轴向和扭转2个维度冲击的新型破岩技术,针对岩石在聚晶金刚石复合片钻头(Polycrystalline Diamond Compact,PDC)钻齿轴向-扭转2个方向冲击作用下破坏机制复杂、复合冲击破岩机理不清晰等问题,基于连续-非连续分析方法(Continuous Discontinuous Element Method,CDEM),建立基于共享节点的FEM-DEM岩石模型,再通过室内单轴压缩实验验证该计算模型的合理性。基于JavaScript二次开发,建立单钻齿复合冲击运动模型,并模拟PDC单钻齿在正弦函数下的复合冲击破岩过程。通过对岩屑、径向剪切裂纹、侧向裂纹和侧向主裂纹等形成过程的分析,揭示岩石在复合冲击作用下的破坏规律。在此基础上,建立单钻齿复合冲击切削力学模型,开发适用于分析复合冲击破岩钻进的连续-非连续数值算法,分析不同切削深度、前倾角度、轴向冲击速度、扭转冲击速度下的破岩效果,探讨不同钻齿参数下的切削力和破岩规律。结果表明：复合冲击作用下钻齿前方和下方岩石均发生大体积破碎,可实现“立体破岩”效果,进而减小钻头的粘滑效应。钻齿与岩层的接触面积、接触弧长、冲...     

基于遗传算法的隧道围岩变形稳定可靠性分析

由于隧道的开挖,隧道围岩的初始应力状态将发生变化,围岩发生卸荷变形,并可能导致隧道的失稳。为了研究隧道开挖后围岩变形的可靠性,建立了隧道围岩变形可靠度指标计算模型,并用遗传算法进行求解。应用本文方法对一高速公路隧道围岩变形的可靠性进行分析。从结果可以看出,围岩的潜在破坏区域出现在拱顶和两侧拱肩区域,从这些区域的可靠度指标和破坏概率值可以看出,该隧道毛洞的拱顶下沉和拱肩收敛可靠度都满足不了规范的要求,要及时进行支护。     

非连续子母块体理论模型研究(Ⅰ):基本理论

对节理岩体的非连续变形与破坏失稳的数值模拟分析是目前岩土力学与工程领域中的前沿课题之一,岩体由节理裂隙以及由其切割而成岩石块体组成,介于连续与非连续之间,由于其内部结构的不确定性造成了其宏观力学行为的复杂性。在讨论了岩体破坏失稳的研究尺度的基础上,从多尺度耦合的角度出发,同时考虑连续问题、非连续问题以及连续问题向非连续问题转化,提出了非连续子母块体理论模型。在非连续子母块体理论模型中,假定岩体与岩体内部被层理、节理等结构面所切割而成的岩石块体均属于宏观尺度,把宏观的岩石块体定义为母块体,用假想的人工节理将其继续分为若干更小的块体,更小的块体称为子块体,子块体为各向同性的均质体,并且在计算中不再发生破坏分解为更小的块体,作为计算分析的基本单元,子块体的研究尺度属于细观尺度。模型也重新定义了子块体间的接触,并将其划分为连续接触与非连续接触两种类型,连续接触在一定条件下发生破坏转化为非连续接触;采用增广拉格朗日乘子法对子块体间的接触进行处理,能够计算出准确的弹簧接触力。     

基于连续-离散耦合的边坡稳定性分析研究

以河北省某露天铁矿边坡为工程背景,采用连续-离散耦合数值分析方法,对典型边坡断面进行分步开挖,结合强度折减法,计算分析坡体的变形规律和受力特征。连续、离散网格区域分别采用有限差分FLAC和颗粒离散元PFC进行建模,着重从连续-离散模型的数据一致性,剪应变增量的形成、发展与局部位移的关系,连续-离散介质受力与位移过程,离散体细观破裂与坡体塑性变形等方面,对边坡稳定性的耦合分析方法进行研究,从宏观和细观角度对边坡的失稳机制进行了较为全面的探索。结果表明：（1）计算过程中坡体应力和位移在连续域和离散域保持了较高的一致性,连续-离散耦合分析方法适用于边坡稳定性研究;（2）作为边坡失稳判据的剪应变增量变化过程主要受岩土体水平位移控制;（3）细观破裂机制可有效表征边坡的宏观塑性变形;（4）土体颗粒接触力链的方向改变是土体位移和变形的驱动因素。     

盾构下穿非连续管线变形特性及预测方法研究

城市地下管线采用承插式接口连接,管线结构的连续性与否取决于接口刚度。然而,现有研究大都假定地下管线为连续结构,忽略了接口转角对管线变形的影响。开展土工离心模型试验和两阶段有限元参数分析,系统研究了盾构下穿不同接口刚度管线的变形特性。发现非连续管线的薄弱接口导致其整体抗弯刚度明显小于连续管线,且接口转动导致非连续管线具有更好的与土体协调变形能力。因此,盾构下穿施工引起的非连续管线沉降明显大于连续管线。非连续管的结构连续性假定将大大低估管线沉降。盾构下穿引起的接口转角与地层损失呈线性关系。基于系统的有限元参数分析,建立了区分相对刚性、柔性管线的无量纲组。针对相对刚性、柔性的非连续管线,分别建立了管节相对长度、管-土相对刚度与接口转角的预测方法,利用离心模型试验结果验证了预测方法的合理性。新方法能有效地预测盾构穿越地下管线的接口转角,研究成果可应用于城市地下管网改造工程。     

考虑围岩破坏条件时优化小净距隧道最小净距的研究

小净距隧道由于不受地形条件以及总体线路线型的限制,较连拱隧道有施工工艺简单、造价较低等优点,越来越受到青睐。用有限单元法对小净距隧道不同中柱厚度进行数值模拟,通过格里菲斯破坏判据以及德鲁克-普拉格判据,拟合出最大拉应力及各判据屈服函数与净距的拟合曲线,在保证其稳定的基础上,对小净距隧道最合理净距做出分析。     

非连续变形分析的精度改进方法及研究趋势

由石根华提出的非连续变形分析(DDA)方法理论严密且计算较为高效,在模拟块体滑移、转动和张开等大变形、大位移问题方面具备独特优势,因而在岩土工程领域得到了广泛运用。然而DDA方法在提出初期不可避免地存在一些精度问题,对此石根华及国内外学者就问题产生原因和改进方法开展了大量研究工作。基于部分相关成果的研究学习,对改进原始DDA计算精度的各类方法进行归纳探讨,主要包括:(1)DDA块体内部应力位移场的精度控制;(2)块体接触问题处理方法的改进;(3)人为参数的合理选取;(4)能量耗散机制的考虑;(5)人工边界的改进等方面。对以上方法的改进效果和计算效率进行了简要分析和讨论,在此基础上对DDA的研究热点和发展趋势进行了概述,为该方法的进一步发展和完善提供思路。     

基于OpenMP的非连续变形分析并行计算方法

非连续变形分析（DDA）方法严格满足平衡要求和能量守恒,具有完全的运动学及数值可靠性,但对大规模岩土工程问题的数值模拟耗时太长,尤其是线性方程组求解,并行计算可以很好地解决该问题。首先基于DDA方法的基本理论,阐述了适用于DDA方法中的基于块的行压缩法和基于“试验-误差”迭代格式的非零位置记录;其次,引入块雅可比迭代法并行求解DDA方法的线性方程组,并改进了相应的非零存储方法;最后,基于OpenMP实现了DDA线性方程组求解并行计算,并将其应用于地下洞室群的破坏过程分析,以加速比为并行效率的指标评价,结果表明,该并行计算策略可以极大提高DDA的计算效率,而且适合各种规模的问题。     

基于非连续单元法的露天矿轮斗剥离台阶片帮灾害分析

针对某露天煤矿轮斗剥离台阶片帮情况,对剥离台阶岩土体进行了物理力学试验,基于有限差分方法,从边坡内部应力应变特征及塑性区扩展情况开展了单台阶片落体失稳机理分析,基于改进的结构面软化模型,采用连续-非连续单元方法(CDEM)对片落体滑塌及堆积的全过程进行了数值模拟分析,对片落体的运动轨迹及堆积情况进行了模拟分析,结合现场地质环境特征,分析了单台阶片帮的触发因素,结论表明,改进的结构面软化模型可作为地质体的渐进破坏的判据,真实还原片落体垮塌全过程;采用连续-非连续单元方法可模拟材料由连续体到非连续体的渐进破坏过程,实现大变形滑坡的灾变全过程分析,研究成果可为类似工况的边坡的评价及治理提供参考。     

基于剪切破坏的深长隧道掌子面隔水岩层安全厚度的研究

突水是复杂地质区域隧道修建时常见的地质灾害。掌子面前方隔水岩层是阻止突水发生的重要安全屏障。本文主要对隧道前方隔水层临界安全厚度的确定方法进行研究。首先基于Mohr-Coulomb破坏准则构建了隔水岩层剪切破坏力学分析模型并得到相应的隔水岩层安全厚度的计算公式;其次,对于深埋隧道,构造应力场对水平应力影响更明显,通过理论分析以及安全性角度分析,发现利用竖向应力计算法向应力更合理;然后,考虑隧道开挖对初始地应力的影响,对上述模型做了进一步的改进;最后,结合跃龙门隧道工程突水灾害的特点,利用区间非概率可靠性以及概率分析两种方法对隔水岩层厚度进行分析,并与现场实测结果进行对比验证。工程案例应用结果表明本文所提出的计算模型是有效的。本文的研究成果既是对现有的临界隔水岩层厚度的知识体系进行补充和完善,也可为后续的风险评估、风险对策的制定提供辅助信息。     

加载方式及抗拉强度对巴西圆盘试验影响的连续-非连续方法数值模拟

研究了集中加载、加载板加载和平台加载3种不同加载方式对巴西圆盘的宏观力学行为、开裂过程以及材料的抗拉强度的影响。对于平台加载方式给出了不同平台加载角时抗拉强度的修正系数。在数值模拟中,采用了自主开发的连续-非连续方法,该方法将拉格朗日元、变形体离散元及虚拟裂纹模型耦合在一起,既可以很好地模拟弹性阶段的变形,又可以较好地模拟材料的真实开裂过程。研究发现,采用平台加载方式,有利于圆盘中心起裂,而采用集中加载和加载板加载方式,圆盘的加载部位容易发生剪破坏。在圆盘中心起裂时,集中加载方式的抗拉强度的数值解最接近于选取的抗拉强度,然后是加载板加载方式,最后是平台加载方式。无论对于哪种加载方式,在材料的抗拉强度较小时,圆盘易于中心起裂,否则圆盘的加载部位将发生剪破坏。圆盘中心起裂后,众多微裂纹汇聚成的裂纹带在垂直方向不断扩展,直至贯穿整个圆盘,同时伴有应力波产生并传播。     

深部大变形回采巷道围岩拉压分区变形破坏的模拟研究

为研究深部回采巷道围岩大变形破坏规律,在地质力学评估及矿压显现特征实测的基础上,采用真三轴相似模拟方法,模拟了不同加载梯度下巷道围岩应变特征。结果显示,在浅埋静水压力条件下,巷道围岩呈现“浅部拉应变、深部零应变”的特征;深埋静水压力及初掘采动应力下巷道围岩出现“径向应变拉压交替分布”现象;当采动应力集中系数大于2时,深埋巷道围岩应变进入非线性大应变状态。采用FLAC3D的应变软化模型与摩尔-库仑模型,对比研究了深部回采巷道围岩位移、塑性区分布规律。结果表明,应变软化条件下,巷道围岩产生拉、压分区破坏且软化后的围岩位移与实测结果更吻合。综合研究结果,揭示了深部回采巷道围岩拉、压分区的产生机制,初步提出了注浆、喷层等措施,防止过度应变软化引起深部回采巷道围岩大变形,为类似巷道稳定性控制提供了一定的参考。     

隧道变形失稳过程的非线性动力学分析与破坏判据研究

隧道变形失稳过程与破坏判据研究是地下工程的热点与难点之一。运用协同学与混沌动力学,分析了隧道变形失稳过程的非线性动力学演化特征,并将其划分为平衡、非平衡线性、非平衡非线性等3个演化阶段;从系统分析的角度,研究了整个隧道系统的涨落关联机制,建立了隧道变形失稳的动力学演化模型。在此基础上,分别给出了大数据量（≥3 000）与小数据量（ 3 000）条件下稳定性演化过程的动力学判别准则。结合隧道变形失稳的阶段性特征,建立了其破坏的混沌动力学判据。将以上研究应用于广州地铁某立体交叉隧道的稳定性分析中,验证了该动力学演化模型与判据的合理可靠性,对隧道稳定性状态的判别具有一定指导意义。