【摘 要】
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岩石类材料的破坏规律研究对于众多地质灾害的机理分析和预防具有重要的理论及实际意义。岩石类材料的破坏实际上是损伤演化、裂缝扩展及贯通的过程。该过程不仅与固体本身有关,还与流体的作用有关。数值模拟研究易于阐明复杂现象的机理及过程,已成为越来越重要的研究手段。连续-非连续方法在模拟岩石类材料由连续向非连续转化方面具有较大的优势。本文在拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法(原方法)的基础上进行研究。(1
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岩石类材料的破坏规律研究对于众多地质灾害的机理分析和预防具有重要的理论及实际意义。岩石类材料的破坏实际上是损伤演化、裂缝扩展及贯通的过程。该过程不仅与固体本身有关,还与流体的作用有关。数值模拟研究易于阐明复杂现象的机理及过程,已成为越来越重要的研究手段。连续-非连续方法在模拟岩石类材料由连续向非连续转化方面具有较大的优势。本文在拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法(原方法)的基础上进行研究。(1)为了降低网格依赖性,在原方法的基础上,发展了一种考虑单元开裂的连续-非连续方法(改进方法)。模拟了三点弯梁、完整巴西圆盘、含切口巴西圆盘及单轴压缩实验,并与理论或实验结果进行了对比,以验证该方法的正确性。研究了切口倾角对巴西圆盘中裂缝扩展等的影响;研究了内摩擦角对单轴压缩岩样中裂缝扩展等的影响。与原方法相比,在改进方法中,裂缝数量更少,裂缝分叉更少,裂缝更平滑,这与实际更符。(2)在改进方法的基础上,为了考虑流体的作用,发展了一种考虑裂隙渗流的连续-非连续方法。在该方法中,假定流体仅能在裂缝中流动,流体的流动满足立方定律。模拟了单裂隙渗流、KGD模型的渗流及含孔洞圆盘的水力压裂过程,并与理论或实验结果进行了对比,以验证该方法的正确性。研究了孔洞内径对水力压裂过程中裂缝扩展的影响。(3)为了模拟固体与流体的界面耦合问题,提出了考虑单元开裂的连续-非连续与SPH耦合方法。在该方法中,考虑单元开裂的连续-非连续方法被用于模拟固体的变形、开裂及运动等;SPH方法被用于模拟流体的流动。模拟了静水平衡、弹性板溃坝、气体压缩过程,并与实验或模拟结果进行了对比,以验证该方法的正确性。(4)利用改进方法,模拟了位移控制加载条件下不同围压时围岩中初始拉裂缝、远场拉裂缝及剪裂缝等的扩展过程;模拟了静水压力条件下不同内摩擦角时围岩中裂缝的扩展过程;模拟了静水压力条件下围岩中V形坑的形成过程。(5)对于定向射孔水力压裂岩样,距离射孔越远,流体压力越小;随着射孔角度的增加,裂缝起裂、扩展过程中的流体压力及转向距离增加;两个方向水平应力之差越大,裂缝转向距离越小;随着时间的增加,裂缝区段数目的增速变慢,这与裂缝体积增加变快有关。(6)对于简化煤与瓦斯突出模型,裂缝呈阶段性增加;随着初始瓦斯压力的增加,裂缝增加阶段出现的次数增加,裂缝增加阶段的间隔有减小趋势。该论文有图105幅,表17个,参考文献169篇。
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