多场耦合条件下岩体破裂的非连续变形数值方法研究

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多场耦合问题是地质工程领域中研究的热点和难点。石油、地热等能源的开发以及生活垃圾、核废料的深埋处理等众多实际工程都与之相关。同时,岩体在多场耦合条件下会发生脆性断裂,危及工程安全。因此,研究多场耦合条件下的岩体破裂显得尤为重要。  由于岩体本身的不连续性,传统的基于连续性假设的断裂理论和数值方法将不再适用,而非连续变形方法在这方面具有与生俱来的优势,因此,本文基于非连续变形方法对多场耦合条件下岩体破裂开展了数值计算方面的研究工作。本文以国家自然科学基金项目(项目号40972201)和国家重点基础研究发展计划第二课题(973计划,项目号2011CB710602)为依托。首先,在裂隙网络的基础上,实现了限定条件下的Voronoi单元网格剖分;然后,通过理论推导,分别建立了水-力、热-力和水-力-化学耦合数值模型,并采用试验验证、解析解对比和工程实例相结合的方法,重点研究了多场耦合作用下岩体的损伤演化特性,分析了岩体在耦合作用下的渐进破坏过程。论文的主要研究工作和成果概括如下:  1.采用控制圆方法,对限定条件下的节理岩体进行了Voronoi单元网格剖分。该方法能够完全满足限定条件,可以将任意复杂的计算区域离散成Voronoi块体单元系统。  2.提出了H-M耦合条件下岩体破坏非连续数值模型。该模型基于DDA方法,并加入H-M耦合算法,通过与有关实验结果、解析解的对比表明,该算法能够准确的计算岩体裂隙网络渗流场问题,并能较为准确的模拟水力劈裂的全过程。  3.提出了T-M耦合的非连续数值模型,可用于模拟节理岩体在温度场变化下的破裂过程。分别通过一维热传导和厚壁圆筒开裂算例对热-力耦合算法进行了验证。数值计算结果表明,模拟结果与现有的分析和实验结果吻合得很好,表明该方法可以很好地对岩石等脆性材料的热裂纹萌生、扩展等过程进行模拟。  4.对H-M-C耦合作用进行了初步地探讨,提出了一种简化的H-M-C耦合的岩体破坏非连续数值模型。采用H-M-C耦合模型,与室内试验的结果进行了对比,结果表明,该模型能够较好地模拟岩石试件H-M-C耦合条件下压缩破裂的过程。  5.将H-M耦合模型和T-M耦合模型应用于工程实例,验证了本文提出的耦合模型的正确性和有效性。采用基于非连续变形数值方法的H-M耦合模型,对三峡库区千将坪滑坡和马家沟I号滑坡体两个滑坡案例进行了数值模拟。模拟结果表明,对于千将坪滑坡,该滑坡是水库蓄水和降雨共同作用的结果,模拟结果和最终的滑坡地形吻合较好;对于马家沟滑坡,分析了其蠕变失稳的滑坡机制,建议在水位上升到175m后,采取定期的地质巡视,以避免滑坡灾害的发生。采用提出的T-M耦合模型对APSE试验中岩柱热开裂问题进行了数值模拟,计算结果与其他学者得到的结果有较好的吻合。
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