【摘 要】
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我国隧道与地下工程建设规模巨大,施工条件复杂,许多隧道均修建在强富水、高水压、强岩溶的地层环境中,多种地质灾害频发。在广泛的工程需求下,数值模拟成为研究地下工程灾害机理及灾变演化过程最重要的手段之一。近场动力学是目前求解不连续问题最先进的数值方法之一,特别适用于模拟连续-非连续问题。本论文立足于国家基础设施建设亟需开展的裂隙岩体流固耦合引起的灾害演化过程数值模拟分析,通过理论推导、数值模拟等手段,
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我国隧道与地下工程建设规模巨大,施工条件复杂,许多隧道均修建在强富水、高水压、强岩溶的地层环境中,多种地质灾害频发。在广泛的工程需求下,数值模拟成为研究地下工程灾害机理及灾变演化过程最重要的手段之一。近场动力学是目前求解不连续问题最先进的数值方法之一,特别适用于模拟连续-非连续问题。本论文立足于国家基础设施建设亟需开展的裂隙岩体流固耦合引起的灾害演化过程数值模拟分析,通过理论推导、数值模拟等手段,围绕近场动力学模拟裂隙岩体流固耦合亟需解决的基础难题展开研究,取得了一系列有益的研究成果。首先,在近场动力学尺度下,通过考虑物质点间键的塑性变形,并改进键处于塑性变形时对不同受力状态（加卸载）的响应,考虑了峰后加卸载路径对岩石力学行为的影响,提出适用于岩石材料的考虑压缩荷载条件下峰后阶段的微观弹塑性本构模型;采用了非均匀离散建模方法来表征岩体材料非均匀特性,解决了材料模拟压缩破坏过程中出现的“离散结构依赖性”,提高了数值模拟的精度。并通过岩石单轴压缩和循环加卸载试验验证了微观弹塑性本构模型的适用性与准确性。于此同时,开展了不同裂隙倾角条件下标准岩石试件单轴压缩试验破坏过程模拟,模拟结果与试验现象吻合良好。其次,基于普通态型近场动力学基本理论,从应变能密度角度,通过等效的方法,熟悉并推导了平面两类问题的普通态型近场动力学基本运动方程,并以此为理论基础,采用Drucker-Prager准则（DP）来构建普通态型近场动力学形式的岩石材料塑形屈服面,得出增量形式的普通态型近场动力学微观弹塑性本构;为提高计算效率,进一步开展了普通态型近场动力学与有限体积法耦合模拟分析方法研究,提出解决裂隙岩体流固耦合问题的数值计算方法,使用普通态型近场动力学求解位移场、等效应力场以及模拟裂缝扩展过程,有限体积法求解流体部分渗流场,并通过过渡层进行数据交换实现流固耦合。通过几个数值算例验证了该方法在流体驱动下模拟饱和裂隙孔隙介质中裂纹扩展的能力,表明了方法的正确性。最后,开展了泉域地下水分布和运移规律的研究,设置了等效孔隙介质模型和孔隙-裂隙双重介质模型两种计算模型,针对相同隧道埋深条件下隧道开挖对不同地下水位影响以及相同水位条件下不同隧道埋深开挖对地下水位影响分别开展了 10组工况模拟。得出结论:岩体裂隙发育情况对隧道开挖时围岩的损伤有主导作用,且当孔隙水压超过某一定值时,裂隙发育情况和孔隙水压将综合成为开挖时围岩损伤的主导因素。为轨道交通路线设计与隧道工程安全建设提供了有效的理论支撑。
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