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有限元方法是目前岩石力学应用最为广泛的数值方法之一,但是由于岩体特殊的结构特点和材料性质,给传统有限元方法的应用带来了诸多困难:传统有限元方法基于连续性假设,以连续介质为对象,岩体结构本身具有间断性,破坏同样会带来间断性问题;界面单元的引入在一定程度上弥补了传统有限元方法处理间断问题的不足,但是界面单元限于小位移假定,对于大尺度变形如张开、转动、分离等无法进行有效模拟。
本文以有限元方法为基础,提出一种模拟岩石材料破坏的单元分裂方法。该方法将岩石破坏归结为张拉和剪切两种形式,并基于Mohr-Coulomb准则和Griffith准则建立了针对这两种破坏形式的破坏准则;结合节理单元和接触单元的特性,提出节理一接触单元模型,用于表征破坏界面;引入单元分裂和界面分离技术描述破坏引起的材料几何拓扑结构变化;采用动态松弛求解方法克服了传统有限元求解方法需要集成整体刚度矩阵的困难。单元分裂法不仅可以处理破坏带来的间断问题,对于具有初始间断界面的非连续材料同样适用。
根据单元分裂法的思想编写算法程序,应用该程序模拟岩石材料三点弯曲破坏实验,将数值模拟的结果和实验结果进行比较;模拟单轴压缩条件下连续岩石材料和单层岩体的剪切破坏。通过上述计算实例,证明本文算法能够模拟岩石材料的破坏过程。围绕边坡稳定,应用单元分裂算法作些试探性的计算和分析,定性地模拟岩体滑坡现象。