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成组节理岩体脆塑性变形破坏的有限元模拟方法研究及工程应用
| 论文题名： | 成组节理岩体脆塑性变形破坏的有限元模拟方法研究及工程应用 |
| 关键词： | 节理岩体;应变软化;脆性破坏;本构关系;有限元模拟 |
| 摘要： | 在节理岩体的变形破坏过程中，岩块和节理会表现出峰后应变软化或脆塑性特点；对节理岩体变形破坏的有限元模拟方法开展研究，正确分析岩体结构工程的变形破坏情况和安全性，是工程中迫切需要解决的问题。本文以赞比亚卡邦波水电站工程地下厂房洞室群的围岩稳定分析为背景，针对成组节理岩体变形破坏的有限元模拟问题开展研究，考虑岩块和节理的脆塑性破坏效应，建立节理岩体变形破坏的弹塑性本构模型，并实现有限元模拟。该模型能够正确反映成组节理岩体脆塑性变形破坏的特征和状态，可广泛应用于节理岩体结构工程的变形破坏分析。本文主要的工作内容及成果如下： (1)岩块和节理变形破坏的数值求解方法分析 分析岩块和节理在数值计算时采用的屈服准则及其特点；利用隐式本构积分算法，分别论述岩块和节理屈服后的弹塑性应力修正方式；基于脆塑性理论，分别论述岩块和节理脆性破坏的应力跌落计算方法。 (2)成组节理岩体脆塑性变形破坏的本构模型研究 考虑岩块和节理的脆塑性变形破坏，结合工程实践与试验结果，研究等效连续节理岩体的三种基本破坏模式；分析节理岩体在不同破坏模式下的力学特性，提出相应的数值计算处理方式；分析成组节理岩体的脆塑性变形破坏过程，建立该过程所对应的弹塑性增量本构模型，确定节理岩体的弹塑性应力修正方式。 (3)成组节理岩体脆塑性变形破坏的有限元模拟研究 基于所建的节理岩体本构模型，利用有限元软件ABAQUS的二次开发功能，编写UMAT计算子程序，实现对成组节理岩体脆塑性变形破坏的有限元模拟。将节理岩体试件的数值模拟试验结果和物理试验结果进行对比分析，验证本文所建模型的正确性。再将该模型应用于水工隧洞开挖的数值模拟，证明相对于理想塑性的节理岩体模型，本文所建模型更能正确反映节理岩体的变形破坏情况。 (4)工程应用研究 将所建的节理岩体模型应用于赞比亚卡邦波水电站地下厂房范围内的岩体，根据工程资料提供的节理连通率范围，先取20%的节理连通率对厂房的开挖支护进行有限元模拟计算，分析围岩的变形破坏情况和锚杆的屈服受力情况，评价围岩的稳定性。再对40%节理连通率的情况进行围岩稳定分析计算，将两种情况的计算结果进行对比分析，评价节理连通率的变化对于围岩稳定性的影响；并为喷锚支护方案提供优化建议。 |
| 作者： | 陈俊宇 |
| 专业： | 水工结构工程 |
| 导师： | 佘成学 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉大学 |
| 学位年度： | 2019 |
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