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1、第17卷第4期计算力学学报Vol.17No.42000年11月CHINESEJOURNALOFCOMPUTATIONALMECHANICSNovember2000文章编号:100724708(2000)0420475208三维加锚弹塑性损伤模型在溪洛渡a地下厂房工程中的应用112张强勇, 向 文, 朱维申(11深圳市地质局,深圳518031;21中国科学院武汉岩土力学研究所,武汉430071)摘 要:本文根据断续裂隙岩体的损伤机制,建立了三维弹塑性损伤本构模型反映裂隙岩体的损伤变形特性。考虑断续裂隙岩体的岩锚支护效应,建立了空间损伤锚柱单元模型模拟锚杆的支护效果。
2、最后将建立的模型应用于溪洛渡水电站地下厂房,进行了洞室群开挖弹塑性损伤及岩锚支护三维非线性有限元计算,获得了一些有益的工程结论。关键词:断续裂隙;弹塑性损伤;岩锚支护;三维有限元中图分类号:TB125 文献标识码:A1 引 言裂隙岩体内部含有大量断续节理裂隙,由于它们的损伤影响及在开挖卸荷作用下的损伤演化导致岩体力学性质呈现出非常复杂的不连续性、非均质性和强烈各向异性,对于贯穿岩体[1][2][3]分布的连续节理,目前可用离散元法,关键块理论法和DDA方法分析其力学特性,这些方法都是将岩体结构进行几何上的简化,以便能将贯通节理完全切割出的块体作为独立计算单元
3、进行总体静动力分析;然而岩体中大部分节理并非完全贯通岩体,而是呈非贯通的断续状分布,因此离散元法,关键块理论方法和DDA方法对分析断续多裂隙岩体并不适合,对此本文应用断裂力学和损伤力学理论,建立了弹塑性损伤本构模型来反映裂隙岩体的损伤变形特性。岩锚支护的强有力效果已得到许多工程实践的检验,然而目前对岩锚支护的有限元数值模拟并不能很好反映这一实际效果,尤其是对断续多裂隙岩体岩锚支护理论的研究和岩锚效果的三维有限元数值模拟更是至今为止没有得到较好解决的一个难点和热点问题,因此本文从断续裂隙岩体和锚杆支护共同作用的观点出发,考虑岩体的各向异性损伤特性,建立了损伤锚柱单元
4、模型来模拟锚杆的支护效果。2 裂隙岩体弹塑性损伤本构模型设单位体积岩体内含有M组概化优势节理裂隙,其中任意第k组节理面的法向单位矢量(k)(k)(k)是n,平均体积密度是QM,统计特征尺寸是a,则根据Betti能量互易定理可求得裂隙岩体e-od[4,5]的等效弹性2初始损伤柔度张量Copkl:e-odeodCopkl=Copkl+Copkl=a收稿日期:19992012181 基金项目:国家九五科技攻关项目(962221205203202(3)) 作者简介:张强勇(1967～),男,博士,高级工程师1©1995-2004TsinghuaTongfangOpti
5、calDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.476计算力学学报17卷M1+M0M01(k)(k)3(DokDpl+DpkDol)-DopDkl+∑{QMaõ2E0E0E0k=1(k)2(k)(k)(k)(k)1(k)2(k)(k)[2G1(1-Cv)nonpnknl+G2(1-Cs)(Dkpnonl+2(k)(k)(k)(k)(k)(k)(k)(k)(k)(k)Dkonpnl+Dlonpnk+Dlpnonk-4nonpnknl)]}(1)e式中 Copkl是无损岩体(即岩石)的弹性柔度张量;E0,M0分别是无损岩体(即岩石)的弹模和odod泊
6、松比;Copkl是裂隙岩体因初始损伤产生的柔度张量,称Copkl为裂隙岩体的初始损伤柔度张量。由于地质构造的影响,岩体通常处于压剪应力状态,因此根据图1三维节理裂纹压剪闭ad[4,5]合,扩展断裂机制,可得到裂隙岩体因节理裂纹扩展产生的损伤演化柔度张量Copkl:Mad1(k)(k)2(k)(k)(k)(k)(k)(k)(k)(k)Copkl=∑{Qva[B1nonpnknl+B2(nonlDkp+E0k=1(k)(k)(k)(k)(k)(k)npnlDko+nonkDlp+npnkDlo)]}(2)(k)(k)式中系数B1,B2可参见文献[4,5]。因此在考虑岩
7、体的初始损伤和损伤演化后,可得裂隙岩体e-d的等效弹性2损伤柔度张量Copkl:e-deodadCopkl=Copkl+Copkl+Copkl(3)e-de-d将Copkl求逆可得到裂隙岩体的等效弹性2损伤刚度张量Eopkl:e-de-d-1Eopkl=(Copkl)(4)[7]根据能量损伤理论,可得到用弹性损伤刚度张量定义的反映岩体各向异性受损的损伤张量Xopmn形式e-de图1 三维节理裂纹扩展模型Xopmn=Iopmn-EopklCklmn(5)由于损伤演化是加载历史的函数,将式(5)两边对虚拟时间尺度求导可得到裂隙岩体的能量损伤演化方程:e-da5Eopk
8、leaXo
