针对工程岩体破坏局部化的特征,建立了工程岩体动力响应分析的局部化更新规则,空间和时间尺度上分别采用细胞自动机和Newmark积分方法,基于自主研发的工程岩体破裂过程细胞自动机分析软件CASRock(cellular automata software for engineering rockmass fracturing process),研发动力分析版本CASRock.Dyna。通过研究弹性波在岩体中的传播规律,CASRock.Dyna模拟应力波的传播与解析结果吻合,验证了CASRock.Dyna进行弹性动力分析的可行性。CASRock.Dyna的弹塑性结果与边界元结果吻合,验证了CASRock.Dyna非线性动力分析的有效性。进行卸压爆破和扰动作用下的工程岩体破裂过程的动力分析,揭示了地应力、岩体非均质性和动力参数等对岩体的破坏程度和范围的影响特征。

针对四维晶格弹簧模型(four-dimensional lattice spring model, 4D-LSM)在岩石爆破中的应用进行研究,介绍4D-LSM在隧道围岩爆破方面的基本要素,包括动力学方程、无反射边界条件以及基于多体破坏准则的岩石破坏模型等。针对隧道围岩爆破问题,采用4D-LSM建立隧道爆破围岩振动分析模型、单炮孔爆破模型以及围岩损伤模型等。在不同隧道爆破设计方案的基础上,通过几何简化和边界条件简化处理这些模型实现对给定爆破方案的隧道爆破围岩关键点峰值荷载速度的量化分析。针对单孔自由面爆破问题,对比离散晶格弹簧模型(distinct lattice spring model, DLSM)和4D-LSM模拟效果,展示了4D-LSM在处理岩石动态大变形破坏方面的优势。采用4D-LSM实现不同爆破设计参数下围岩损伤区深度的数值分析,结合质点振动速度实现对不同爆破方案的安全性评价。基于数值仿真对爆破方案安全性的敏感性定量评价为实现隧道岩石爆破方案的智能优化提供了支持。

隧道开挖通常会引起临近断层的错动,并进一步诱发地震等灾害,但目前物理机制尚不清晰。为探究隧道开挖诱发近断层错动的物理机制,采用连续介质力学与离散介质力学相耦合的方法建立近断层隧道开挖数值模型,其中采用离散元方法(distinct element method, DEM)模拟断层破碎带的细观力学行为,采用有限差分法(finite difference method, FDM)描述断层上盘、下盘宏观动力特征,基于多因素影响分析,分析结果表明:隧道开挖引起断层错动可以划分为错动孕育阶段、错动加速阶段、错动变缓阶段、稳定阶段;断层破碎带与上、下盘岩体相对刚度较小,开挖导致的岩体变形无法通过破碎带向另一侧传递,由此引起的上、下盘岩体变形不连续、不协调是断层发生错动的主要原因;开挖隧道位于上盘时,隧道埋深以上的断层呈现出正断层错动模式,埋深以下的断层呈现出逆断层模式,而隧道位于下盘时,结果相反;距离断层越远,隧道开挖引起的断层错动量越小,不同深度处的错动量最终均趋于0,同时,距离的增加还可能引起隧道位置以下断层错动形式的改变;隧道位于上盘时,断层的错动量大体上随倾角的增大而减小;隧道位于下盘时,隧道埋深以上的断层错动量随倾角增大而增大,隧道埋深以下的断层错动量则不断减小;隧道埋深处的断层错动量先随着倾角增大而减小至0,而后错动形式发生改变,错动量继续增加。

为揭示巷道开挖或采矿过程中的煤体动态断裂规律,采用离散虚内键(discretized virtual internal bond,DVIB)方法对突然卸荷条件下的煤体动态断裂进行研究。结果表明,突然卸荷动态断裂具有显著的三阶段特征:初始破坏、稳定破坏和加速破坏阶段。本研究考虑顶板下沉作用,定量地总结了煤岩体卸荷过程中裂纹面随时间的演化规律。随着地应力增大,初始和加速阶段的动态断裂过程更为剧烈,稳定阶段的持续时间也更短。顶板下沉速率对初始破坏阶段基本没有影响;随着顶板下沉速率的增大,稳定和加速破坏阶段的破坏程度增强。围岩刚度越大,稳定破坏阶段的持续时间就越长。本研究对于冲击地压的预测和防治具有较重要的参考意义。

对隧道工程中的地质灾害进行总结,通过对真实破裂过程分析方法(realistic failure process analysis,RFPA)在隧道工程模拟中的相应应用进行综述,得到以下主要结论:在隧道工程施工中,隧道工程的主要地质灾害包括固体地质灾害、准流体地质灾害和流体地质灾害3大类;RFPA数值计算方法在与隧道工程施工相关的岩石力学及破坏特性获取、开挖条件下的隧道破坏模拟、层理岩体隧道开挖模拟、动力条件下隧道破坏模拟、深部围岩分区破裂模拟以及渗流作用下隧道稳定性分析等方面都得到了广泛的应用;目前,RFPA数值计算方法已经在计算精度、计算规模、计算速度、大规模求解过程的并行计算和数值计算云平台建设等方面取得了重大进展。随着技术进步和程序开发的不断深入,RFPA数值计算方法会在隧道工程模拟方面取得更为广泛的应用。

以上海南区污水干线腐蚀破坏为背景,结合物理模型实验,基于流形元(numerical manifold method,NMM)连续-非连续变形计算理论,采用无需复杂后处理的裂纹尖端应力强度因子(stress intensity factor,SIF)计算方法,对腐蚀箱涵试件的裂纹起裂、裂纹扩展过程及其承载特性进行断裂力学模拟。计算得到的位移、应力与理论经验以及物理试验结果有较好的一致性。分析裂纹起裂长度对荷载-挠度曲线的影响规律,考虑到物理试验中的一些随机因素,数值分析得到的荷载-挠度曲线与物理试验曲线拟合度整体较好。裂纹产生后,裂纹两侧的位移场非连续边界清晰。裂纹贯穿顶部钢筋后,钢筋对非连续位移场的约束以及对裂纹进一步扩展的约束效果明显。分析结果表明,流形元对钢筋混凝土模拟具有较好适用性。

基于非局部理论的近场动力学(peridynamic, PD)方法在求解岩石裂纹扩展问题时具备极大的优势,但同时也面临零能模式与边界效应等问题。为解决上述问题,证明非常规态基PD方法等价于采用节点积分的伽辽金弱形式方法,并将非常规态基PD中变形梯度F的求解方式推广为更一般的PD微分算子(peridynamic differential operator, PDDO)近似。由于该近似与重构核粒子(reproducing kernel particle method, RKPM)近似具有相同的位移近似函数,详细对比分析两方法位移导数近似间的差异性,得到PDDO近似不满足相容性条件的结论,并形成了具备更高精度的RKPM-PD耦合算法。若干数值算例证明了该耦合算法在预测岩石动态裂纹扩展中的准确性。

为研究岩溶隧道层状节理隔水岩柱水压致裂特性,建立隔水岩柱分析模型,通过量纲分析获得影响隔水岩柱临界承载水压的关键因素,并开展单一节理单元岩体的强度特性分析,借助连续-非连续数值模拟方法(continuum discontinuum element method,CDEM)观察裂缝扩展贯通过程,获得不同节理倾角隔水岩柱的破坏模式和临界承载水压,以及隔水岩柱的破裂度和损伤度随节理倾角的演化规律。计算结果表明:层状节理隔水岩柱的破坏模式包括基岩破坏、沿节理面的层间破坏和复合型破坏;受上覆岩层自重影响,隔水岩柱临界水压具有明显的倾角效应,呈先减小后增大的变化趋势;节理面层间贯穿性破坏的破裂度和损伤度远小于基岩贯穿性破坏。

某在建电站地下洞室群规模巨大,具有高边墙、大跨度等特点,通过数值模拟方法研究地下洞室分层开挖过程中区域围岩变形、应力演化及塑性区分布特征,在此基础上对地下洞室群开挖过程围岩变形破坏机制进行分析。结果表明:在洞室开挖初期发生的围岩破坏一般为应力主导,随着开挖面增大逐渐转变为结构面主导。数值模拟结果较好地体现出高地应力硬岩受结构面影响的破坏特征,可为制定洞室开挖措施和支护设计的制定提供参考。

岩土结构如边坡及隧道的稳定性常用安全系数量化。安全系数有3种定义方式:抗力与滑动力之比、强度折减系数及超重力系数。针对后两种常用安全系数的定义,采用新颖的基于拓扑优化理论的极限上限分析方法:裂面优化法展开研究。提出了基于强度折减以及超重力策略的裂面优化目标函数,并考虑了多个算例展开数值研究。结果表明,裂面优化法计算过程高效,结果可靠,而强度折减策略与超重力策略获得的安全系数存在差异,两者差异与安全系数计算值以及摩擦角取值相关。

为模拟注浆治理横向大变形效果及机理分析,提出离散元孔隙密度流法,通过改进研发离散元软件MatDEM,实现隧道注浆流固耦合过程数值模拟。基于上海隧道工程实例数据,开展突发堆载下隧道注浆的离散元分析,数值模拟的隧道横向收敛值和现场实测结果十分接近。进一步数值分析表明:随着突发荷载的增大,隧道水平收敛值呈现出非线性增长趋势;采用孔隙密度流法分析注浆对隧道横向变形的恢复效果,结果表明随着突发堆载和注浆距离的增大,注浆对隧道水平收敛恢复比例的影响非线性减小。此方法可进一步应用于复杂条件下隧道注浆的数值分析和机理研究。

三维并行显式非连续变形分析方法(three dimensional parallel explicit discontinuous deformation analysis,3D-PEDDA)作为隧道与地下工程数值模拟中强大的数值方法之一,一直存在接触判断效率低、接触不确定性和难以处理凹体等问题,其整体计算效率也是瓶颈之一。介绍了多覆盖方法、最后侵入面法和局部凸分解方法,将其引进3D-PEDDA来解决接触问题。为提升整体计算效率,新的3D-PEDDA程序经过改编以统一数据读写模式,并通过添加预编译指令的方法实现并行化。新的3D-PEDDA程序全部在Linux系统上进行开发,并在简单的云端虚拟机上进行初步试验。数值算例验证了所开发的3D-PEDDA的效率、精度和运行在更高性能的云主机上的潜力。