《層狀岩體中三維裂隙的分析方法和力學特性研究》是依託山東科技大學，由肖洪天擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：層狀岩體中三維裂隙的分析方法和力學特性研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：肖洪天
- 依託單位：山東科技大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目以申請者發展的層狀材料對偶邊界元法為基礎，研究適應於層狀岩體分析的數值方法，並分析層狀岩體中三維裂隙張開閉合和擴展的力學特性。分析層狀裂隙岩體時，將結構體視為彈塑性材料，將裂隙的張開閉合擴展視為非線性力學過程。沿結構體邊界或開挖面和裂隙面劃分單元，對於可能進入塑性狀態的區域劃分塊體單元。.將建議的方法用於：（1）含有一組或幾組三維裂隙的大尺寸層狀岩體試件力學分析，試件上作用著不同類型的荷載。分析載入過程中層狀岩體中裂隙力學狀態和層狀岩體試件破壞過程；並輔以室內層狀含裂紋試件試驗，驗證數值分析結果。（2）針對不同層狀裂隙岩體工程進行分析。.該項目將提供一種方便、快速和準確地分析層狀岩體穩定性的數值方法，並獲得層狀岩體中三維裂隙非線性力學狀態。除層狀裂隙岩體外，建議的數值方法還能方便地用於分析其它結構類型的裂隙岩體。
結題摘要
分析層狀裂隙岩體時，傳統邊界元法和間斷位移法需要沿層面劃分單元,並引入無窮單元考慮遠場的影響。如果所遇到的層狀岩體由許多層組成，需要採用多區域法處理，這種方法的效率很低。如果岩體的力學性質沿某一方向非均勻變化，就不能採用上述方法。本項目基於層狀材料和橫觀各向同性雙材料基本解，開展研究。取得了豐富的如下研究成果： （1）發展了基於層狀材料基本解和橫觀各向同性雙層材料基本解的間斷位移方法，計算了兩類材料中作用均勻和非均勻壓應力時裂隙的應力強度因子，給出了不同岩性組合情況下裂隙岩體斷裂力學特性的變化規律，揭示了岩體非均勻對斷裂力學特性的影響規律。 （2）發展了分布荷載作用下層狀材料產生的應力和位移場的數值計算方法。在對該方法進行驗證的基礎上，將其套用於分析由水庫蓄水引起的庫底的應力和位移場，並將其用於計算矩形分布荷載引起非均勻材料中應力和位移場。發展了分析橫觀各向同性雙層材料中矩形分布荷載作用下位移和應力場的解析方法，並提供了大量分析成果。 （3）基於層狀材料基本解，發展了分析煤層開採引起地表的移動和變形的邊界元方法。這種方法在分析煤層開採引起的地表移動時，僅僅離散開挖區域的邊界，無須沿層面離散，大大提高了計算效率。目前正在進行的研究和將要研究的問題如下： （1）邊界元法形成的線性方程組係數矩陣為一個非對稱滿係數矩陣。我們編寫了廣義極小殘值算法（非對稱）的程式並將其耦合於已有的程式中去，大大提高了解題規模和解題速度。 （2）將煤系地層視為三維層狀介質，依據實測數據，對煤層開採在煤柱引起的支承壓力進行簡化，利用已發展的方法，分析采動對底板的影響。此分析不僅能獲得底板應力場，還能得到底板岩層的位移。 （3）改進Barton-Bandis模型，使該模型便於在邊界元方法中實現。分析層狀岩體中三維裂隙擴展時，第k步裂隙的剛度可以用第k-1步裂隙的閉合和滑移值來計算；為了避免增量方法帶來的誤差積累，需要在每一增量步內，採用修正方法。 （4）分析煤層開採引起的底板裂隙斷裂力學特性。首先分析開採擾動下煤層底板應力場的變化；利用斷裂力學的疊加原理獲取裂隙的分析模型；採用間斷位移方法，分析采動和水壓力共同作用下煤層底板裂隙的斷裂力學特性。評價給定裂隙形態和水壓力下，底板突水的可能性。
