硬岩破裂过程与机制的数值分析方法研究

论文摘要

岩石的理论和试验方式已进行了大量地研究,但是现场实际条件的限制,现场试验难以开展,理论又难以分析到每一个具体的问题,再加上随着社会的进步和科技的发展,岩石的研究方法开始不止局限于理论分析和试验测试,数值模拟开始在岩石研究过程中起着重要的作用,并且数值模拟在探究岩石的微观破裂和损伤方面是一种更为有效的手段。因此对岩石的数值模拟方法进行研究既能弥补理论与试验的不足,又能更好的解释岩石内部破裂的机制,对于岩石工程力学性质的研究具有十分重要的意义。本文依托于国家自然科学基金“深埋硬岩优势结构与卸荷破裂协同时变机制研究（Y611021A01）”,通过建立一种新的粘结块体模型（Bonded Block Model,简称BBM）对完整大理岩直剪试验和深部硬岩开挖过程中的岩石破裂行为进行了研究。基于随机块体生成技术（Neper）和块体离散元理论（3DEC）,建立了一种新的粘结块体模型方法（BBM）;通过对平面应变BBM模型和三维BBM模型的细观参数和宏观参数之间的影响规律进行研究,得出了BBM模型中细观参数对宏观参数的影响规律;将BBM方法用于完整大理岩直剪试验的模拟和锦屏深部地下试验室7#洞、8#洞开挖过程的模拟,探讨了完整大理岩直剪试验过程中和深部硬岩开挖过程中的岩石破裂机制。主要研究成果如下:（1）基于随机块体生成技术（Neper）和块体离散元理论（3DEC）,建立了可用于单轴模拟试验、三轴模拟试验和巴西劈裂模拟试验的平面应变BBM模型、三维BBM模型。（2）通过平面应变BBM模型和三维BBM模型的单轴模拟试验、三轴模拟试验和巴西劈裂模拟试验,得到了BBM模型接触法向刚度（kn）、接触法向-切向刚度比（kn/ks）、接触抗拉强度（JσT）、接触黏聚力（Jc）和接触内摩擦角（Jφ）等五个细观参数对BBM模型单轴抗压强度（σp）、巴西劈裂抗拉强度（σT）、弹性模量（E）、泊松比（v）、启裂应力(σCI)和损伤应力(σCD)、模型黏聚力（c）、模型内摩擦角（φ）等八个宏观参数的影响规律。（3）通过完整大理岩直剪试验,得到了在1MPa、2MPa、5MPa、10MPa和15MPa五种法向应力作用下完整大理岩的剪切破坏特征和剪切应力-剪切位移曲线,描述了完整大理岩剪切破坏的四个阶段:剪切初期阶段、剪切损伤阶段、剪断阶段、二次剪切剪断。（4）将BBM方法应用于完整大理岩直剪试验的模拟,得到在1MPa、2MPa、5MPa、10MPa和15MPa五种法向应力作用下BBM模型的的剪切破坏特征和剪切应力-剪切位移曲线,描述了BBM模型剪切破坏的四个阶段:剪切初期阶段、剪切损伤阶段、剪断阶段、二次剪切剪断,本基于BBM模型探讨了完整大理岩直剪试验过程的破裂机制。（5）将BBM方法应用于锦屏深部地下试验室7#洞、8#洞的开挖过程的模拟,得到了BBM模型在高地应力作用下围岩的破裂特征、变形能力和损伤区范围,探讨了深部硬岩在高地应力作用下围岩的破裂机制。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
•   1.1 研究意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 岩石破裂机制研究现状
•     1.2.2 岩石数值模拟连续方法研究现状
•     1.2.3 岩石数值模拟非连续方法方法研究现状
•   1.3 研究内容及技术路线
•     1.3.1 主要研究内容
•     1.3.2 技术路线
• 2 基于随机块体生成技术和块体离散元理论的BBM模型的建立
•   2.1 随机块体生成技术
•     2.1.1 随机块体构成原理
•     2.1.2 随机块体规则化过程
•   2.2 块体离散元理论
•     2.2.1 动态松弛法离散元法基本原理
•     2.2.2 块体离散元法（3DEC）数值分析流程
•   2.3 粘结块体模型（BBM）构建的基本原理
•     2.3.1 粘结块体模型（BBM）的生成
•     2.3.2 模型本构的选取
•   2.4 平面应变BBM模型和三维BBM模型的建立
•     2.4.1 平面应变BBM模型的建立
•     2.4.2 三维BBM模型的建立
•   2.5 模型的加载与监测
•     2.5.1 模型的加载
•     2.5.2 模型的监测
•   2.6 本章小结
• 3 基于BBM方法的细观参数敏感性分析
•   3.1 BBM 模型细观参数敏感性分析方法
•   3.2 块体几何尺寸敏感性分析
•   3.3 接触变形参数敏感性分析
•     3.3.1 接触法向刚度kn的敏感性分析
•     3.3.2 接触法向-切向刚度比kn/ks的敏感性分析
•   3.4 接触强度参数敏感性分析
• σT的敏感性分析'>    3.4.1 接触抗拉强度J_σT的敏感性分析
• c的敏感性分析'>    3.4.2 接触黏聚力J_c的敏感性分析
• φ的敏感性分析'>    3.4.3 触内摩擦角J_φ的敏感性分析
•   3.5 BBM模型细观参数对宏观参数的影响规律
•   3.6 本章小结
• 4 基于BBM方法的完整大理岩直剪试验研究
•   4.1 完整大理岩室内直剪试验
•   4.2 完整大理岩直剪试验结果分析
•     4.2.1 剪切破坏特征
•     4.2.2 剪切应力-剪切位移曲线特征
•     4.2.3 剪胀性
•   4.3 直剪试验平面应变BBM模型的建立及参数标定
•     4.3.1 模型的建立
•     4.3.2 模型的加载与监测
•     4.3.3 模型的参数标定
•   4.4 平面应变BBM模型室内直剪试验结果分析
•     4.4.1 模型剪切破坏特征
•     4.4.2 模型剪切应力-剪切位移曲线特征
•     4.4.3 模型的剪胀性
•     4.4.4 基于BBM模型直剪试验的完整岩石破裂机制分析
•   4.5 本章小结
• 5 基于BBM方法的深部硬岩破裂行为研究
•   5.1 工程背景
•   5.2 基于平面应变BBM模型的地下硐室模型的建立
•     5.2.1 深埋地下硐室的平面应变BBM模型的建立
•     5.2.2 锦屏地下试验室7#洞、8#洞BBM模型的细观参数标定
•   5.3 开挖过程围岩破裂机制分析
•     5.3.1 地下硐室平面应变BBM模型开裂行为特征
•     5.3.2 地下硐室平面应变BBM模型鼓胀现象
•     5.3.3 地下硐室平面应变BBM模型破裂机制
•   5.4 本章小结
• 6 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 阳伟

导师: 杨忠平,邱士利

关键词: 深部硬岩,破裂机制,粘结块体模型,直剪试验,参数敏感性分析

来源: 重庆大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 重庆大学

基金: 国家自然科学基金“深埋硬岩优势结构与卸荷破裂协同时变机制研究(Y611021A01)”

分类号: TU45

DOI: 10.27670/d.cnki.gcqdu.2019.002957

总页数: 130

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