基于有限变形理论的岩石变形与破坏问题研究
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随着大型水利水电工程,军事防护工程以及深部资源开发工程的飞速发展,岩石工程稳定与控制问题越发重要,特别是岩石非连续大变形问题的理论与计算成为学术界研究的焦点,本文基于有限变形理论和非连续变形分析方法(DDA),通过理论、数值模拟、试验三个方面对岩石的变形和破坏问题进行了深入的研究,主要工作进展如下:(1)对矿山岩石力学中常见的露天开采边坡稳定性问题、巷道围岩位移场及稳定性问题,研究了有限变形理论框架下的解析解、半解析解,并和运用经典小变形理论得出的结果进行对比,指出度规张量的非线性和平均整旋角是造成两者差距的主要原因,且两者差距随变形量和平均整旋角的增大而增大。(2)运用有限变形几何场理论,对现有的非连续变形分析方法进行了改进,改进后的DDA算法在计算中可以正确地将转动和变形分离,能够准确处理大位移、大变形、大转动问题,并通过实例证明了程序的普适性和准确性。运用改进后的DDA程序,分析了采矿工程中两个典型问题:(i)煤层瓦斯抽采中的“钻-割”增透,(ii)长壁开采过程中覆岩运动及载荷分布,为工程提供了参考依据。(3)通过正交试验研究了多因素(温度、水、围压)作用下岩石的变形破坏特征,发现平均整旋角可以很好反映岩石的局部变形和破坏,提出了考虑平均整旋角影响的岩石本构方程。该模型和试验结果相符,可以较好地描述峰前压密、线性增强以及塑性屈服各个阶段。(4)采用Burgers模型描述岩石蠕变行为,并得到了温度、饱水时间和围压共同影响下的稳态蠕变率方程。开发了计算岩石流变的非连续变形分析程序,计算了常温、干燥和高温、高湿状态下巷道围岩流变的位移场和应力场,计算表明程序能够很好模拟水、温度影响下岩石流变和应力释放过程。该论文有图77幅,表22个,参考文献303篇。
致谢 | 第5-7页 |
摘要 | 第7-8页 |
Abstract | 第8-9页 |
Extended Abstract | 第10-13页 |
目录 | 第13-17页 |
图清单 | 第17-21页 |
表清单 | 第21-23页 |
变量注释表 | 第23-25页 |
1 绪论 | 第25-42页 |
1.1 研究背景及课题的提出 | 第25-26页 |
1.2 国内外研究现状 | 第26-39页 |
1.3 本文技术路线与主要研究内容 | 第39-42页 |
2 有限变形理论及岩土工程实例研究 | 第42-59页 |
2.1 拖带坐标系 | 第42-44页 |
2.2 位形变换的 S-R 分解定理 | 第44-45页 |
2.3 应变张量的物理分量 | 第45页 |
2.4 有限变形理论与小变形理论差异的工程实例研究 | 第45-57页 |
2.5 本章小结 | 第57-59页 |
3 基于有限变形理论的非连续变形分析方法改进 | 第59-77页 |
3.1 非连续变形分析的基本理论 | 第59-67页 |
3.2 基于有限变形几何场的非连续变形计算方法改进 | 第67-72页 |
3.3 实例验证研究 | 第72-76页 |
3.4 本章小结 | 第76-77页 |
4 岩体非连续变形破坏的工程实例分析 | 第77-93页 |
4.1 单一煤层钻孔割缝卸压的数值模拟 | 第77-85页 |
4.2 长壁开采覆岩运动的数值模拟 | 第85-92页 |
4.3 本章小结 | 第92-93页 |
5 基于平均整旋角的岩石变形与本构模型研究 | 第93-121页 |
5.1 主要试验设备 | 第94-98页 |
5.2 试样的制备与试验过程 | 第98-100页 |
5.3 基于正交设计的多因素作用下岩石压缩试验 | 第100-104页 |
5.4 讨论 | 第104-105页 |
5.5 多因素作用下对岩石力学参数演化规律的研究 | 第105-106页 |
5.6 基于应力-应变曲线的平均整旋角研究 | 第106-110页 |
5.7 平均整旋角的计算结果及其变化规律 | 第110-114页 |
5.8 本构关系的平均整旋角描述 | 第114-119页 |
5.9 本章小结 | 第119-121页 |
6 岩石时间相关力学行为的非连续有限变形方法研究 | 第121-139页 |
6.1 试验方法与步骤 | 第122-123页 |
6.2 试验结果及本构模型建立 | 第123-131页 |
6.3 基于有限变形理论及非连续变形分析方法的流变数值模拟 | 第131-137页 |
6.4 本章小结 | 第137-139页 |
7 结论与展望 | 第139-143页 |
7.1 结论 | 第139-141页 |
7.2 展望 | 第141-143页 |
参考文献 | 第143-163页 |
作者简历 | 第163-166页 |
学位论文数据集 | 第166页 |
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