深部地下工程岩体裂隙系统演化及灾变机理研究

在我国深部地下空间被广泛开发利用的形势下，针对地下工程中岩爆、大变形、塌方等灾害现象的诱发条件、成灾机理开展基础研究；分析岩体中裂隙的宏细观几何形态、分布特征，研究裂隙岩体的宏细观破坏机制，引入能够模拟不连续位移场的扩展有限元算法（XFEM），研究岩石断裂应力强度因子的影响因素，结合水平集方法描述裂隙的方法，模拟单裂隙、多裂隙、随机分布裂隙的起裂、扩展规律，揭示岩体中微裂隙起裂、扩展、贯通到宏观破坏的机制，建立岩体裂隙系统的演化与宏观力学特性关系的理论模型。提出基于岩体裂隙系统演化的深部裂隙岩体围岩变形和灾变分析方法，为深部工程地质灾害预测预报和调控提供参考指标。研究成果将为地下工程安全性与稳定性分析、评估、设计及防灾减灾提供可靠的理论基础和方法，具有重要的理论意义和广阔的工程应用价值。

针对岩体中裂隙系统的力学行为，从理论、实验及数值算法方面围绕岩体中裂隙的分布、力学行为及扩展形态，以断裂力学、弹塑性力学、流固耦合理论为基础对岩体中裂隙的起裂、扩展方式、路径进行了理论和算法的研究，主要研究成果总结为以下几个方面：.（1）在弹性力学和断裂力学的基础上，对由于裂纹存在所造成的连续体中位移场的不连续性及应力集中现象进行分析，在传统的有限元算法基础上对单元形函数进行扩充，使其能够描述裂纹存在所产生的特殊力学行为，同时提出相应的裂尖强度因子的计算方法，建立了裂隙分析的扩展有限元算法；在裂纹扩展过程中，对裂纹尖端及裂纹扩展路径所产生的有限元网格的局部剖分算法进行了深入研究，并对XFEM算法进行了改进，使其在计算裂纹扩展时，对于加强节点的判断更加准确，计算精度更高。.（2）在扩展有限元算法的基础上，增加粘聚型本构关系计算模块，使其能够模拟岩石、混凝土等准脆性材料的破坏过程，并对混凝土梁破坏过程进行了详细的模拟，所得到的裂纹扩展路径及荷载-挠度曲线及峰后阶段的特性与试验结果吻合较好；同时针对岩土工程中的水力压裂技术，结合流固耦合理论，对由于水压所造成的岩体裂隙扩张进行了初步的研究，得到了压裂液粘度和岩石弹性模量对裂纹扩展的影响。.（3）针对断裂破坏现象，在XFEM的基础上为了克服网格局部剖分所引起的数值计算困难，引入无单元法开展了裂尖断裂因子的计算方法及裂纹扩展模拟研究，并提出了相应的算法，无网格法计算裂隙不需重构网格，前后处理更加方便，为开展了岩体裂隙力学研究提供了一个新的算法。.（4）在扩展有限元算法及裂隙粘聚型本构关系的基础上，针对地下工程风险分析因素多，计算难度大的问题，基于蒙特卡洛法建立了地下硐室极限状态的非线性可靠度分析方法。