考慮塊體內耦合作用及錨桿塑性效應的非連續(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算成為學術界研究的焦點。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算塊體大位移的特點，又具有有限元理論基礎的嚴密性，具有廣泛的應用前景，是目前巖土工程分析中的研究熱點之一。非連續(xù)變形分析方法由于發(fā)展的較晚，在工程應用方面有諸多的局限性。本文對

2、非連續(xù)變形分析方法進行了改進，考慮了位移收斂準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。最后結合四川巴底水電站項目對該方法進行了深入研究，主要研究了等效力學參數(shù)的確定和動態(tài)施工過程等。本文的主要工作概括如下:
　　1.對非連續(xù)變形分析方法進行了改進，加入了位移收斂判斷準則。然后采用非連續(xù)變形分析方法對雙裂隙巖塊進行單軸和雙軸壓縮模擬試驗，研究了裂隙角度和側向應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中的破壞過程和應力—應變曲線，同時也得到了巖塊中裂隙的起裂應力和巖塊的峰值強度。在雙軸壓縮模擬試驗中繪制了裂隙角度為45°巖塊在不同側向壓力下的強度包絡線，并根據(jù)包絡線方程式確定參數(shù)的c、ψ的取值，同時根據(jù)等效連續(xù)介質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模型，并采用改進后的程序模擬了劈裂試驗中含裂隙試塊的錨固效果，得到錨桿的塑性力學特性可以更好的描述錨桿的受力，更貼近工程實

4、際情況。
　　2.應用有限元參數(shù)化設計語言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，在線性位移模式下，推導了非連續(xù)變形分析程序和有限元程序耦合方法的總體平衡方程，并且詳細推導了相應的的彈性子矩陣、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，每個塊體的自由度由網(wǎng)格節(jié)點的數(shù)量所確定，更加準確的描述了塊

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，得到側壓力系數(shù)、圍巖破碎面粘聚力、內摩擦角、抗拉強度對圍巖的位移影響較大，同時頂拱為支護的關鍵位置，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行了并行化處理。然后對非連續(xù)變形分析的方程組計算采用改進的SSOR-PCG方法。最后通過算例表明改進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算速度。
　　4.在非連續(xù)變形分析方法的實際工程應用中，以四川巴底水電站地下洞室群為研究背景，首先數(shù)值模擬中的力學參數(shù)考慮了巖體中節(jié)理的隨機性和巖體力學參數(shù)的不確定性，通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬的方法進行等效確定。然后研究了動態(tài)施工方法，突出了對開挖順序、分步開挖、分步支護過程進行模擬計算分析，并給出相應的解決方法，使程序可以更加真實的反映實際施工過程。
　　5.將非連續(xù)變形分析方法與有限元方