采动影响下覆岩垮落过程的数值模拟

应用岩层破断过程分析SFPA2D系统 ,分析了采动影响下覆岩破坏的动态发展过程。数值模拟再现了上覆岩层离层、弯曲、沉降、开裂直至冒落的全过程 ,以及采动工作面推进过程中逐步演化的应力场和应变场。根据数值模拟的结果 ,初步探讨了覆岩破断机理 ,指出覆岩的破断特征受分步开挖引起的应力重新分布及其损伤积累以及岩梁的非均质性的影响。     

保护煤层开采引起覆岩垮落及其被保护煤层透气性变化的数值模拟

在充分考虑到岩石的非均匀性、存在的节理、裂隙等基础上，运用岩石破裂过程分析系统（RFPA），进行由于深部煤层（保护层）开采诱发的上覆岩层垮落过程及被保护煤层透气性系数变化的数值模拟。模拟结果较好地展示在开采保护煤层过程中覆岩节理、裂隙的发育、顶板的垮落以及被保护煤层的弯曲、变形和透气性系数的变化过程，反映出岩层移动的三带特征：垮落带、断裂带、整体弯曲下沉带以及这三带演化的动态过程。从破坏点空间分布中可以看出岩层破坏的逐层传递性。文中阐明被保护煤层在保护煤层开采期间的应力场与透气性变化之间的联系。     

DDA方法在边坡变形规律研究中的应用及实验验证

本文对原非连续变形分析方法（DDA方法）中边界约束方法进行了推广，将其应用于节理岩质边坡变形规律的数值模拟，并利用模型实验结果验证本文程序的正确性，同时也说明：在一些条件比较明确的情况下，采用DDA方法的模拟实验几乎可以取代模型实验。     

基于FLAC~(3D)的煤层开采覆岩破坏特征研究

本文分析了祁东煤矿7131工作面工程地质特征,建立工作面的三维地质模型;根据工作面实测岩体力学参数及实际边界条件,利用FLAC3D软件对煤层开采引起的上覆岩体运移变形破坏特征进行了数值模拟;通过分析由此引起的塑性破坏、应力场变化、位移场量级变化,讨论了工作面上覆岩体的"两带"发育范围、破坏形式及变形特征。     

H型钢焊接残余应力的三维有限元分析

采用通用有限元软件ABAQUS对普通H型钢的焊接残余应力场、变形场进行了数值模拟,并和现有公认结果进行了对比。结果表明,数值模拟方法真实可靠,纵向残余应力影响较大,应引起足够的重视。     

基于Newmark积分方案的DDA方法

 不连续变形分析(DDA)方法以离散的块体集合作为研究对象,引入动力学分析和时步积分技术模拟块体系统的不连续变形行为。对DDA采用的常加速度法进行拓展,给出求解块体系统运动方程的Newmark积分格式,并引入一种与块体不平衡力成正比的自适应阻尼使系统收敛到新的平衡状态,保证求解的稳定性。作为考核,将基于Newmark积分方案的DDA方法应用到隧洞开挖模拟,通过和UDEC软件的计算结果进行对比分析,论证改进后DDA方法的有效性和实用性,进一步拓展DDA解决实际工程问题的能力。     

煤岩动力灾害电磁辐射预测技术中力电耦合方法的研究及应用

对煤岩动力灾害电磁辐射预测技术的研究现状和发展趋势进行了论述与分析,基于煤岩变形破裂电磁辐射信号与受载时应力变化之间的关系,从FLAC应力场数值模拟与电磁辐射传播的角度对煤岩变形破裂电磁辐射力电耦合研究方法进行了研究。研究结果表明:基于FLAC模拟的力电耦合方法能合理地确定应力集中区域以及正确模拟电磁辐射在煤岩层内的分布规律,该方法为现场应用电磁辐射方法和技术准确预测预报煤岩灾害动力现象提供可靠的理论基础,对于完善煤岩变形破裂电磁辐射监测和检测理论以及促进相关学科的发展具有理论和现实意义。最后还对未来煤岩动力灾害电磁辐射预测技术研究的发展前景进行展望。     

厚覆盖岩层条件下地下采矿的地表及围岩变形破坏特性模型试验研究

以某矿山为原型,通过地质力学模型试验,深入分析了厚覆盖层岩层条件下地下采矿引起的地表变形陷落特征和采空区围岩的变形和破坏特征,同时分析了地表变形陷落和围岩变形时间效应特征以及采空区围岩破坏机理。与相应的各种数值模拟结果(二维弹塑性有限元、三维弹塑性有限元、二维离散元等)进行了对比分析,发现物理模拟试验结果比各种数值模拟计算结果更接近于工程现场原位监测结果,试验得到了许多数值模拟无法得到的颇具启发性的全新认识。试验所得出的最优起采深度和一些新认识被有关方面所接受和采用。对工程实际具有重要的指导作用。     

DDA方法中的人工边界问题研究

 数值分析中的人工边界可能会引入虚假的反射波,不可避免地影响求解,针对非连续变形分析(DDA)方法中的人工边界问题,首先,基于Newmark法推导黏性边界、黏弹性边界对DDA方程组的贡献;其次,为更好地解决地震等外源入射问题,在DDA中引入了自由场边界;最后,为保证静、动力分析过程转换时边界的一致性,在DDA中实现静动力统一边界。利用改进后的DDA程序进行算例分析,结果表明：各人工边界理论在DDA程序实施正确;黏性边界能高效地吸收人工边界处的反射波,黏弹性边界可以反映介质的弹性恢复能力;与黏性边界相比,两侧施加自由场边界模拟无限域运动可以减少边界的影响;引入统一人工边界的DDA可以完整地模拟静、动力计算全过程。     

开挖及动荷载作用下边坡响应的DDA方法研究

对适用于分析边坡在开挖及动荷载作用下的响应情况的不连续变形分析(DDA)方法进行研究。首先,利用基于生死单元的DDA方法模拟边坡的开挖过程,并分析边坡的开挖变形,通过与有限元法计算结果对比,证明该方法的正确性;其次,为克服传统的DDA方法不考虑介质中产生的散射波在边界的反射问题,实现基于黏性边界理论的地震波输入方法;此外,在DDA方法中引入自由场边界,通过实例分析表明在利用DDA方法进行动力分析时,模型两侧施加自由场边界的模拟效果要优于两侧施加黏性边界的模拟效果。将改进的DDA方法运用于边坡工程的动力响应分析,通过与经典有限元法的对比,证明了改进DDA方法的正确性。     

DDA方法在复杂地质条件下地下厂房围岩变形与破坏特征分析中的应用研究

以清江水布垭水电工程地下厂房为例，应用非连续变形分析方法对复杂地质条件下地下厂房围岩的变形与破坏特征开展了研究，重点分析了厂房区域地应力水平、锚固、岩体结构条件及结构面强度参数等对洞室围岩变形的影响。分析结果表明，当水平初始应力增加时，洞室围岩位移量相应增加，由于洞室边墙分布有多条层间剪切带且围岩具有软硬相间的层状岩体结构特点，使得边墙变形存在错动现象。锚固后洞室边墙围岩的变形明显减小，且围岩应力状态得到显著改善。对于高边墙地下洞室，陡倾角结构面在边墙上的出露对围岩的稳定十分不利，在一定的岩体结构条件下，围岩的破坏可表现为因局部块体的崩落所引起的整个洞室围岩的破坏。在相同岩体结构条件下，降低结构面强度参数，洞室围岩可以从变形稳定状态发展到不稳定状态，围岩的失稳主要表现为因围岩大变形引起的失稳。     

DDA方法在边坡变形规律研究中的应用及实验验证

本文对原非连续变形分析方法 (DDA方法 )中边界约束方法进行了推广 ,将其应用于节理岩质边坡变形规律的数值模拟 ,并利用模型实验结果验证本文程序的正确性 ,同时也说明 :在一些条件比较明确的情况下 ,采用 DDA方法的模拟实验几乎可以取代模型实验     

DDA子块体开裂模拟算法的优化与验证

非连续变形分析(DDA)是计算离散可变形块体系统力学响应的数值计算方法,其在连续岩体开裂破坏模拟中的应用也已得到研究。在以往的预离散子块体DDA开裂模拟方法中,通过采用虚拟节理对子块体进行粘结以模拟连续体的变形,进而根据虚拟节理面上的块间接触力判断沿预设节理面的拉伸或剪切破坏。该算法能够较好的模拟岩体的开裂路径和破坏形态,但受预设虚拟节理面方向对块间接触力大小的影响,由此得到的岩石开裂强度与实际之间可能产生较大差异。本研究不再根据块间接触力进行开裂判断,而改进为根据邻近子块体的应力状态进行开裂判断,并仍假定裂纹沿虚拟节理面产生。用新的DDA程序对压缩载荷作用下圆盘试件的拉伸开裂破坏和方形试件的剪切开裂破坏进行了模拟。算例表明,改进后的开裂算法具有高的开裂计算准确性,并大大减小了预设虚拟节理分布对开裂破坏强度及破坏路径模拟结果的影响。     

地震载荷作用下地下厂房围岩稳定性分析

探讨了非连续变形分析方法(DDA)动力学算法中阻尼条件施加方法,并针对具体实际问题采用速度阈值控制的复合阻尼方法提高了计算效率。以某水电工程地下主厂房为例,采用改进后非连续变形分析方法对汶川地震载荷作用下节理围岩和洞室开挖过程中锚杆的锚固作用及对边墙稳定性的影响进行研究,重点对比分析了地震载荷下洞室围岩在有无锚固条件对于拱顶、边墙和节理位移变形位移的影响。研究表明,锚杆的锚固作用对地震载荷和高应力条件下地下厂房开挖过程中洞室围岩的变形和稳定性起着关键性的作用。     

块状结构岩体在一般水压分布模式下的不连续变形分析

提出了三维不连续变形分析方法中地下水压力的模拟方法。并通过钻孔水位观测数据插值拟合地下水位面,建立了作用在任意形状块体单元表面上的一般水压分布模式,利用最小势能原理推导了水压力荷载对三维不连续变形分析方法总刚矩阵的贡献。地下水对滑坡稳定性影响的算例分析表明该方法是有效的。     

Modeling the effect of water, excavation sequence and rock reinforcement with discontinuous deformation analysis

A powerful numerical method that can be used for modeling rock-structure interaction is the discontinuous deformation analysis (DDA) method developed by Shi in 1988. In this method, rock masses are treated as systems of finite and deformable blocks. Large rock mass deformations and block movements are allowed. Although various extensions of the DDA method have been proposed in the literature, the method is not capable of modeling water-block interaction, sequential loading or unloading and rock reinforcement; three features that are needed when modeling surface or underground excavation in fractured rock. This paper presents three new extensions to the DDA method. The extensions consist of hydro-mechanical coupling between rock blocks and steady water flow in fractures, sequential loading or unloading, and rock reinforcement by rockbolts, shotcrete or concrete lining. Examples of application of the DDA method with the new extensions are presented. Simulations of the underground excavation of the ‘Unju Tunnel’ in Korea were carried out to evaluate the influence of fracture flow, excavation sequence and reinforcement on the tunnel stability. The results of the present study indicate that fracture flow and improper selection of excavation sequence could have a destabilizing effect on the tunnel stability. On the other hand, reinforcement by rockbolts and shotcrete can stabilize the tunnel. It is found that, in general, the DDA program with the three new extensions can now be used as a practical tool in the design of underground structures. In particular, phases of construction (excavation, reinforcement) can now be simulated more realistically. However, the method is limited to solving two-dimensional problems.     

Integration of three dimensional discontinuous deformation analysis (DDA) with binocular photogrammetry for stability analysis of tunnels in blocky rockmass

This paper demonstrates and evaluates an integrated system coupling 3-dimensional binocular photogrammetry and discontinuous deformation analysis (DDA) for stability analysis of tunnels in blocky rockmass. 3D DDA is an effective numerical method for discontinuous and large displacement problems. In stability analysis of rockmass, especially for tunnels, one of the primary bottlenecks in 3D DDA is generating discontinuous models. For tunnel constructions requiring small interval time for blasting, traditional geotechnical data collection approaches such as hand-mapping and geologic compass are always lacking in efficiency and accuracy. 3D photogrammetry is an economical and efficient method for collecting geometric features and surface data. An integrated system connecting geometrical data acquisition and discontinuous numerical analysis automatically, is valid for improving safety in tunnel construction. This system includes photogrammetry module, modeling module and analysis module. In the photogrammetry module, binocular photogrammetry devices and image reconstruction technique are implemented for geometric data of rockmass. Then location, dip direction and dip angle of joints as well as other geometric information of tunnels are input into the modeling module to generate 3-dimensional discontinuous models. The analysis module using 3-dimensional DDA to evaluate the stability of the surrounding rock in tunnels. The integrated system is implemented in an engineering instance, Suocaopo Tunnel in Guizhou, China.     

Investigations of the sequential excavation and reinforcement of an underground cavern complex using the discontinuous deformation analysis method

Two modifications are made to enable the use of the discontinuous deformation analysis (DDA) method to investigate the sequential construction of an underground cavern complex. One modification is the “block birth and death” approach. With the aid of a boundary block searching algorithm, this approach excavates the blocks in any closed domain step by step and is verified by a DDA example. The other modification is an updating algorithm of the rock bolt called the dull-reactivating method. In this new algorithm, the coordinates of the ending endpoints of the dull rock bolts are regularly updated and the corresponding rock bolts in the sequential reinforcement region are reactivated. The initial geostress field and the sequential construction of the underground cavern complex of the Dagangshan hydropower station in Southwest China are simulated with the modified DDA method. Valuable results are obtained by analysing the displacement, stress and rock bolt force. In the construction processes, the blocks around each cavern form a bearing capacity system to prevent the block deformation, and the rock bolts jointly support the stress release as a system. At the sidewalls of the main machine building and the downstream side wall of the tail surge chamber, the blocks cut by joints with a high dip angle suffer a strong stress release, and the tension forces of the several rock bolts are so large that they should be noticed, which provides a basis for the construction guidance of the project.     

三维块体接触判断方法的分析与改进

非连续变形分析方法和离散单元法都是可以计算非连续介质大位移问题的数值方法，目前在二维问题的计算中应用较多，但在工程实际问题的计算中还未能得到广泛应用，因为实际的工程问题如岩体结构都是三维问题。而在计算三维问题时存在一个困难，就是难以快速、准确地判断块体之间的接触类型。对已有的3种接触判断方法尤其是其中已用于实际计算的公共面法、侵入边法进行分析，指出各种方法在进行接触判断时存在的问题。同时在综合已有方法优点的基础上，给出建立正确接触判断方法的原则并提出切割体法。2个算例的计算结果表明，该方法的确有效地解决了已有方法存在的问题，能够正确判断三维块体之间的接触关系，从而模拟块体之间的错动滑移过程。     

裂隙岩体非连续变形的静力和动力分析方法

裂隙岩体在静力或动力作用下产生的变形主要是裂隙的变形，岩石变形相对很小，两者不相连续。用非连续变形分析方法研究岩体的非连续特性才能得到微观的具体反映。在动力或静力作用下，位移实际上与时间有关，故对静力问题仍可用动力方法。只有对很小位移的静力问题，当岩体处于稳定情况下，才可忽略这一时间因素。对极大位移的动力问题，如爆炸等，用非连续变形分析方法计算能得到很好的结果。本文用非连续变形分析方法对以上问题作了探讨，并用算例对若干静力和动力问题进行了分析。