模拟岩石边坡倾倒破坏的数值流形法

倾倒破坏是岩石边坡破坏形式之一。对这种破坏形式的模拟要求计算方法能够正确模拟变形和应力、破坏面的发展、块体间的接触及块体的运动。数值流形法具备这种能力,可用于正确模拟岩石边坡的倾倒破坏。简单介绍了流形元法的基本原理、接触模拟的方法、接触力、接触应力的计算方法及用于倾倒破坏模拟的方法,并运用几个算例与Goodman和Bray提出的基于极限平衡原理的分析方法(以下简称G-B方法)、离心机模型试验方法进行了比较;给出了流形元结构计算的安全系数,并且用极限平衡原理结合流形元计算的应力得出了结构整体和单个块体的安全系数,同流形元结果进行了对比。结果表明:介绍的数值流形法可以正确计算边坡倾倒安全系数,模拟边坡的倾倒破坏过程。     

岩体不连续非线性变形分析的数值流形方法研究

 博士学位论文摘要　以数值流形方法为基础, 研究了岩体不连续非线性变形的数值模拟方法, 并编制了相应的流形元程序, 分析了岩土工程中某些具体问题的流形元模拟方法。(1) 利用参变量变分原理建立了岩体弹塑性分析的数值方法。该方法能够求解非关联流动和应变软化的弹塑性问题, 避免了在每个载荷步中迭代计算, 提高了计算效率;(2) 根据覆盖接触理论, 深入地研究了连续面上不嵌入和无张拉条件的数值实现方法, 完成了相应的程序。在此基础上通过引入假想不连续面, 提出了一种简化的岩体破坏分析方法, 该方法直接根据假想不连续面上的应力状态用抗拉强度和抗剪强度进行破坏判断, 不需要计算应力强度因子, 也不需要增加单元或重新划分网格, 数值实现比较方便。该简化方法还能求解采用断裂力学方法所不能模拟的岩体破坏问题;(3) 研究了锚杆支护的流形元模拟方法, 建立了锚杆支护的数值模型, 该模型能够模拟普通锚杆、预应力锚杆和锚索;(4) 研究了地下水作用的流形元模拟方法, 建立了地下水作用的简化计算模型;(5) 提出了一种用平面模型解一类特殊三维问题的方法, 分别采用改进的二维模型和等效初始应力两种方式, 考虑垂直于计算平面的正应力和正应变对计算平面变形的影响, 此法比三维计算难度小, 且节省计算时间。     

地冲击荷载下坑道震塌问题的研究现状

坑道动荷载段的震塌破坏问题是一个长期悬而未决的问题,它涉及到岩石介质的复杂性及其动态破坏复杂性两大难题,该问题是目前防护工程和岩石动力学领域的热点研究问题之一。坑道震塌破坏问题主要是确定地冲击荷载作用下围岩的震塌破坏模式以及震塌质量分布和速度分布规律。论文在广泛查阅分析研究成果的基础上,对地应力作用下围岩自由场中的地冲击传播规律、坑道震塌问题的形成机理、震塌问题的试验研究和震塌问题的数值模拟研究成果进行了综述,初步提出了下一步需要解决的问题。     

温度–应力耦合作用下岩体裂隙扩展的数值流形方法研究

 数值流形法作为一种新型的数值计算方法已成功应用于诸多领域,但该方法在裂隙岩体多场耦合及其作用下裂隙扩展过程模拟分析上应用还较少。基于线弹性热力学理论,并考虑温度对材料影响,建立裂隙岩体温度–应力耦合控制方程。在此基础上,以温度和位移覆盖函数为基本求解量,以加权平均和算术平均思想为区域平均温度场求解算法,以修正的Mohr-Coulomb理论为岩石裂隙扩展准则,以物理覆盖为岩石破裂基本单元,提出模拟温度–应力耦合过程及其作用下岩体裂隙扩展过程的数值流形方法。该方法采用数学和物理2套覆盖,在裂隙扩展过程中不需要进行网格调整,能够有效地模拟裂隙岩体多场耦合及其作用下的裂隙扩展过程。通过编制相应MATLAB计算程序,对算例进行模拟,验证该方法的可行性和合理性。     

基于广义粒子动力学的巷道围岩弹塑性分析

提出了广义粒子动力学数值分析方法,该方法是一种无网格数值分析方法,可以考虑关联塑性流动法则和非关联塑性流动法则对岩石材料塑性变形的影响。将广义粒子动力学数值分析方法应用于巷道围岩的弹塑性分析,确定了巷道围岩的应力场、位移场和塑性区。该数值模拟结果与有限元结果吻合较好,表明将考虑岩石材料剪胀特性的弹塑性本构理论引入到广义粒子动力学数值分析方法,不失为模拟岩石类材料弹塑性破坏的一种有效数值手段,研究结果为更好地理解岩石材料的屈服破坏过程提供重要的参考。     

应力作用下软硬互层岩石破裂过程的细观模拟

 采用数值模拟方法研究软硬互层岩石材料在不同围压条件下的压缩破坏过程。利用改进刚体弹簧方法,模拟细观裂隙的起裂和扩展过程。界面破坏准则结合莫尔–库仑准则和抗拉强度准则,能同时考虑拉裂和剪切2种破坏模式。岩石材料由以Voronoi图形为基础的块体集合表征为显式模拟结构面,提出一种分步插点的计算网格自动生成算法。对已有的典型实验进行计算,模拟得到不同围压下不同倾角数值试件的破坏模式和抗压强度。与实验结果的对比表明,改进刚体弹簧方法能够定性和定量地描述由于软硬互层结构引起的抗压强度各向异性,不同围压条件下得到的破坏模式也与实验结果吻合良好。     

水耦合装药爆破在隧道掘进中的应用

在分析水介质耦合装药结构特点的基础上,根据爆破动力学原理,应用弹性理论和波动理论推导了正入射情况下孔壁岩面上的冲击压力、应力波衰减规律。为了解水耦合装药爆破对岩石的破坏过程,采用有限元软件ANSYS-LSDANA对工程实例进行了数值模拟,并采用数值模拟中的爆破参数进行了现场试验。结果表明:水介质的耦合作用不仅有利于炮孔底部岩石破碎,而且加快了施工进度、改善了施工环境,达到安全增效、降耗的目的。该方法可为其他隧道爆破提供参考,具有重要的推广和应用价值。     

薄钢板在高速碰撞载荷作用下的数值算法

探讨了SPH算法的基本原理及该方法的优缺点;采用该算法对柱形杆高速冲击钢制薄靶板的击穿、粒子飞溅及碎片云的形成过程进行了数值模拟;解决了四棱柱形钢杆SPH粒子单元模型的建立问题,分析了作用过程的物理机理;表明SPH算法可以用于解决高速冲击动力学问题,模拟和预测材料在高速碰撞下的瞬态响应。     

数值流形方法中的锚固支护模拟及初步应用

针对岩土工程中的锚固支护,研究了数值流形方法中锚固支护模拟问题。在原数值流形方法源程序基础上开发了锚固支护模块,并用算例验证了其合理性。运用该方法对某层状结构岩体中的地下洞室围岩开挖变形问题进行了研究。结果表明,数值流形法在层状结构岩体地下洞室开挖时,能反映围岩中软弱层面两侧岩体的不连续错动特征;锚固支护后,围岩位移分布趋向均匀,位移量有所减少,软弱层面两侧岩体的非连续错动变形量减小效果显著。     

超高应变率下岩石的破坏机理（英文）

通过对大理石的轻气炮试验进行三维数值仿真重现,探索了岩石在超高应变率下的破坏机理。大理石试样中两个高速应力计的实测应力信号被用作数值模拟的匹配目标,结果表明,在高速冲击压缩载荷下,细观静水压破坏是大理石的主要破坏机制,而不是通常认为的细观剪切或拉伸破坏。此外,为再现不同冲击速度下大理石的物理实验观测数据,提出了新的考虑时间非局部效应的细观速率相关岩石破坏模型,并且发现对岩石轻气炮的数值模拟需采用准静态测量的弹性力学参数而不是超声测量的弹性参数。最后对具有不同孔隙度的虚拟岩石样本进行进一步的轻气炮数值试验,结果表明,岩石的孔隙度越大,在冲击压缩载荷下的动态强度和动力学率效应越小。     

基于数值流形法的土质边坡动力稳定性分析

由于对NMM动力作用下边坡的稳定分析研究较少,利用数值流形法（NMM）对这一问题进行了分析研究,引入黏性阻尼来耗散系统的能量,通过算例验证了NMM求解边坡永久位移的有效性;利用地震动力时程分析得到的边坡应力场计算出了边坡的动力安全系数时程曲线,并搜索得到地震时程下最小安全系数及其对应的边坡最危险滑裂面,将该最危险滑裂面模型作为NMM的计算模型进行永久位移的计算且与Newmark法得到的结果进行对比,两者结果相近。结果表明：NMM可有效进行边坡动力稳定分析、模拟计算边坡的永久位移。     

数值流形方法的阻尼、收敛准则以及开挖模拟

数值流形方法采用动态松弛法求解准静力学问题,能量耗散机制不清楚.通过引入黏性和自适应两种阻尼吸收系统产生的动能,基于最小势能原理建立了考虑阻尼力影响的总体平衡方程.提出了模拟岩体分期开挖的数值流形方法,将开挖面视为特殊的不连续面,根据开挖时序设置开挖面上接触点的状态,以达到模拟分步开挖的目的,给出了相应的迭代计算格式,并定义了位移和加速度收敛准则用以判断计算过程中系统是否达到新的平衡状态.数值算例结果表明,改进后的数值流形方法具有良好的收敛性能,其计算结果与解析解以及离散元是吻合的.     

Rotation errors in numerical manifold method and a correction based on large deformation theory

Numerical manifold method (NMM) is an effective method for simulating block system, however, significant errors are found in its simulation of rotation problems. Three kinds of errors, as volume expansion, stress vibration, and attenuation of angular velocity, were observed in the original NMM. The first two kind errors are owing to the small deformation assumption and the last one is due to the numerical damping. A large deformation NMM is proposed based on large deformation theory. In this method, the governing equation is derived using Green strain, the large deformation iteration and the open-close iteration are combined, and an updating strategy is proposed. The proposed method is used to analyze block rotation, beam bending, and rock falling problems and the results prove that all three kinds of errors are eliminated in this method.     

An overview of particle-based numerical manifold method and its application to dynamic rock fracturing

This review summarizes the development of particle-based numerical manifold method (PNMM) and its applications to rock dynamics. The fundamental principle of numerical manifold method (NMM) is first briefly introduced. Then, the history of the newly developed PNMM is given. Basic idea of PNMM and its simulation procedure are presented. Considering that PNMM could be regarded as an NMM-based model, a comparison of PNMM and NMM is discussed from several points of view in this paper. Besides, accomplished applications of PNMM to the dynamic rock fracturing are also reviewed. Finally, some recommendations are provided for the future work of PNMM.     

裂隙岩体温度场数值流形方法初步研究

基于三角形有限覆盖数值流形理论，提出了裂隙岩体二维不稳定温度场求解的数值流形方法(NMM)，并推导了第一类温度边界条件处理的罚方法，给出了计算格式。数值流形方法采用两套覆盖，其中数学覆盖独立于求解区域，生成数学覆盖时不用考虑裂隙数量、位置和方向，避免了常规方法处理裂隙处网格划分的不便。对于裂隙岩体，裂隙两侧对应不同流形单元，可以实现温度的不连续模拟。裂隙作为内部流形单元或外部边界条件叠加进入到温度场的总体求解矩阵中，实现了裂隙岩体温度场的数值流形求解。该方法具有较高精度，且能求解任意多条裂隙的岩体温度场问题。最后对部分文献算例进行计算，结果具有较好的一致性。     

考虑裂纹尖端场的数值流形方法

数值流形方法起源于不连续变形分析,主要用于统一求解连续和非连续问题,其核心技术是在分析时采用了双重网格:数学网格提供的节点形成求解域的有限覆盖和权函数;而物理网格为求解的积分域。由于该方法考虑了块体运动学,因此就可以模拟节理岩体裂隙的开裂与闭合过程。但对于裂纹尖端的局部化现象,数值流形方法需要像有限元那样在裂纹尖端设置细密单元。本文在单位分解法的理论基础上,应用裂纹尖端局部函数来扩展原有的数值流形方法的基函数,提出考虑裂纹尖端场的数值流形方法。本文方法扩展了原有数值流形方法对裂纹尖端问题的求解能力,同时对非连续问题也比原有数值流形方法的求解精度高。     

三维不连续变形分析理论及其在岩质边坡工程中的应用

 三维非连续变形分析主要包括3个关键问题：块体系统的拓扑识别问题;单个块体(刚体或变形体)运动方程建立与求解;伴随着块体运动和变形,块体间的接触关系需要不断地判别和更新。针对这3个关键问题,从代数拓扑中单纯形及单纯复合形的概念出发,依靠边界算子来生成三维空间块体的几何识别算法,采用Euler-Poincaré公式来确保块体搜索的准确性;利用单纯形积分来获得块体物理特征量的解析解;在一阶位移模式下,按照最小势能原理建立三维块体系统非连续变形分析的总体平衡方程;针对岩体工程破坏特点,提出面–面接触模型,并在此基础上采用强度折减法来计算岩质边坡的安全系数。由简单楔形体破坏算例可知,三维DDA能够解决由传统极限平衡方法假定条件带来的问题,能够正确计算楔形体破坏的抗滑安全系数。通过工程边坡算例可知,采用三维非连续变形分析方法来研究岩体边坡稳定问题,既能深入理解岩质边坡的破坏机制,又能方便地确定临界滑动块体位置、体积、滑动方向以及相应支护方式等;同时,鉴于DDA方法能够精确地求解切向滑动力,结合强度折减法能够获得比较合理的安全系数。     

A Hoek–Brown criterion with intrinsic material strength factorization

Probably the most common failure criterion for rock masses is the Hoek–Brown (HB) failure criterion. The HB criterion is an empirical relation that extrapolates the strength of intact rock to that of rock masses. For design purposes, the HB criterion is often fitted using equivalent Coulomb failure lines. However, equivalent Mohr–Coulomb (MC) shear strength parameters cannot yield the same failure characteristics as the HB criterion. The curvilinear HB criterion automatically accommodates changing stress fields; the MC criterion does not. The extended HB criterion proposed in this paper provides a solution to this problem by incorporating an intrinsic material strength factorization scheme. The original HB criterion is additionally enhanced by adopting the spatial mobilized plane (SMP) concept, first introduced by Matsuoka and Nakai (MN). The SMP concept accounts for the experimentally proven, influence of intermediate principal stresses on failure, which is disregarded in the original HB criterion. A small set of examples provided at the end of the article gives a good indication of the merits of using the extended HB criterion in practical applications.     

Numerical investigation on fracturing behaviors of deep-buried opening under dynamic disturbance

Dynamic disturbance is sometimes a non-ignorable factor to induce rock failure in underground excavation, especially for high initial geo-stressed locations. In this study, a mathematical physics model was used to characterize the failure mode of brittle rock under static geo-stress and dynamic loading. An implicit to explicit sequential solution method (IESSM) was performed to examine the dynamic fracturing behavior of an underground opening due to dynamic disturbance. In the numerical simulation, the characteristics of strain energy density (SED) and fracturing zone were investigated under various lateral pressure coefficients. The results indicated that different failures were induced around the opening subjected to dynamic. With lower lateral pressure coefficient, spalling is induced at roof and spandrel with a long period for releasing strain energy. With the increase of the lateral pressure coefficient, violent strain rockbursting is observed in highly stressed locations, with instantaneous release of massive strain energy. Moreover, when the geo-stress of lateral pressure coefficient is high enough, the occurrence location and fracturing zone of rockbursting will not be greatly influenced by the dynamic disturbance, including its amplitude and action direction.