三维岩体破裂及空间裂纹扩展的多尺度建模与高分辨模拟研究

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岩体裂隙扩展和局部破裂现象在自然界中十分常见,且广泛存在于水利,交通,国防,能源等关乎国家命脉的基础工程中,因此正确认识岩体破裂过程对于评价工程稳定性和安全性具有重大现实意义。伴随计算机的不断发展,数值模拟已经成为研究实际工程问题的一种重要手段,各种数值方法层出不穷,但是这其中很多方法在模拟岩体裂隙扩展和局部破裂方面的表现不尽如人意,而基于连续介质力学的RFPA3D方法因其独特的特点在模拟岩石破裂过程方面具有巨大的优势,但是其均匀划分网格的特点一方面降低了处理难度,另一方面也将会带来巨大的网格数量,严重影响计算效率。鉴于此情况,本文基于RFPA3D提出一种三维多尺度网格建模策略,该策略可以实现均匀网格的局部细化,从而节省网格数量,通过运用此策略对裂纹扩展和隧道局部破裂进行模拟,验证了该策略的可行性,并进一步探究了三维裂纹扩展和隧道局部破裂的机制。具体工作列于以下几方面:(1)基于RFPA3D方法并结合不连续伽辽金框架,解决了不同尺度网格之间的界面耦合问题,形成一套三维多尺度高分辨网格建模策略,实现了RFPA3D局部细分网格的功能,用于精细模拟岩体裂纹扩展和局部破裂问题。(2)分别通过对巴西圆盘和薄板圆孔模型进行弹性分析,并将计算结果与相应解析解进行对比,验证了该策略模拟相关问题的正确性,为进一步研究实际问题提供依据,通过对不同算例进行不同加密形状和加密次数的对比验证,证明多尺度网格策略的高效性,灵活性和适用性,展现该策略良好的应用前景。(3)运用该策略对实验室尺度下含三维预制裂纹的试样进行数值模拟研究,捕捉到了三维贯通裂纹和非贯通裂纹从起裂到破坏的全过程,从云图,声发射,受拉破坏结果等方面深入分析了裂纹位置、数量、形态等因素对裂纹扩展贯通机制的影响,并将模拟结果与相关试验结果进行验证对比,从数值模拟角度揭示了三维裂纹在单轴压缩条件下的萌生,扩展和搭接机理。(4)通过对马蹄形隧道进行不同加密范围和加密形状的模拟分析,验证了多尺度网格策略的准确性和灵活性,运用多尺度网格策略对不同断面下的隧道进行模拟分析,探究了不同断面隧道破坏情况的异同之处,为相应工况下的支护提供了一定的依据。(5)依托相关工程问题,运用多尺度网格策略对不同情况下的交叉隧(巷)围岩稳定性问题进行模拟分析,着重研究了不同断面形式和空间分布情况对于隧道破坏模式的影响,并将模拟结果与前人研究进行对比验证,无论是应力集中的区域,还是最终破坏形式都与其研究结果吻合的很好,表明了多尺度网格策略在工程大尺度方面良好的适用性,从而可以对实际工程提出评价和指导意见。
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