基于接触势的三维非连续变形分析方法研究及其在岩体破裂模拟中的应用

Many rock engineering practices have shown that rock mass failure usually starts from the propagation of inertial discontinuity, and then large deformation and large displacement occurs, which finally will cause engineering accidents. So it has very important practical significance to study the whole process of fractured rock mass including crack initiation, propagation, coalescence, sliding and finally forming the deposits. .Two-dimensional discontinuous deformation analysis method (DDA) has made a beneficial attempt in the simulation of rock failure process. But there exist unnecessary contact judgments in the contact detection. Meanwhile fast convergence cannot be guaranteed in the process of open-close iteration if there are too many convex-convex contacts. The two factors have greatly influenced computational efficiency. And that rock mass engineering is three-dimensional problem in essence, which has been beyond the scope of 2D-DDA. .Within the theoretical framework of DDA, this item intends to establish the three-dimensional contact potential-based DDA method by introducing effective contact detection technique and potential contact force computational method. Furthermore, two failure modes including block cracking and break along the existing discontinuity will be adopted to simulate the rock failure progress from continuum to discontinuum. .At last, research results will be employed to study the instability mechanism of rock slope and model the complete failure process in the hope of evaluating the motion feature and damage form of the landslide quantificationally, which will also provide technical support for the rock slope stability evaluation and disaster predication.

大量岩体工程的失稳破坏均以其内部不连续面的扩展为起点，进而产生大变形和大位移，从而引发工程事故。研究裂隙岩体由裂纹萌生、扩展、贯通、滑移和最终形成堆积体的全过程，具有十分重要的现实意义。.二维非连续变形分析方法（DDA）在岩体破坏全过程模拟方面已做出了有益的尝试。但在接触检测时，存在不必要的接触判断；当角角接触过多时，开-闭迭代往往难以快速收敛。这极大地影响了计算效率。而且，岩体工程实质为复杂的三维问题，已超出了它的应用范围。.本项目拟在DDA的理论框架内，通过引入高效接触检测技术和势接触力计算方法，建立基于接触势的三维DDA方法。进而通过引入块体自身破裂与沿着既有不连续面破裂两种破坏模式，再现岩体由连续到非连续的破坏演化过程。.最后，将研究成果应用于岩质边坡渐进失稳机理研究与破坏全过程模拟中，以期能够定量地评价滑坡运动特征和破坏后的性状，为岩质边坡稳定性评价及灾害预测提供技术支撑。

报告为国家自然科学基金青年项目“基于接触势的三维非连续变形分析方法研究及其在岩体破裂模拟中的应用（编号：11502033）”的结题/成果报告。.本项目在三维非连续变形分析方法（3D-DDA）的理论框架内，通过引入高效的接触检测技术和势接触力算法，建立了基于接触势的三维非连续变形分析方法（3D-CPDDA），进而实现了由连续到非连续的破坏演化全过程的模拟。主要取得了如下成果：.① 发展了一种基于CAE辅助技术的三维块体系统切割方法。它基于凸体切割和虚拟结构面间块体相粘合的方式而建立，适用于包括凹面或含孔洞的复杂模型。对几何信息再揉和即可转换为三维DDA模型，进而成功地应用于吉林长春引松工程不衬砌项目的关键块体识别及稳定性分析中，提高了计算分析效率。.② 发展了一种基于接触势的二维非连续变形分析方法。它继承了DDA单片上位移描述的先进思想，融合了势接触力算法的简单快捷，且更易开发并行版本的计算程序。.③ 发展了连续-非连续全过程模拟的改进非连续变形分析方法。引入了一种应变软化粘结单元，可补充应变软化阶段的强度损失，加强了DDA对于岩体连续特性的模拟。当粘结单元张开量超过设定极限值时，会萌生裂纹，直至形成贯通块体。.④ 发展了基于接触势的三维非连续变形分析方法（3D-CPDDA），它采用三维分布式的势接触力算法处理块体间的接触，能够更准确地反映接触面上的应力状态。通过引入三维应变软化粘结单元，实现了基于3D-CPDDA的连续-非连续破坏演化过程模拟。.⑤ 发展了一种DDA全自动精细化建模方法；并改进了后处理程序，可方便地输出各种云图和指定变量的全过程变化曲线等。成功地应用到高陡岩质顺层边坡的破坏机理模拟分析中，揭示了它的屈曲破坏模式。基于3D-CPDDA，得到了同样的变形破坏模式，与二维结果进行了相互印证，但显然它的工程适用性将会更广。.⑥ 发展了基于显式时间积分的非连续变形分析方法。不需要集成总体刚度矩阵；求解过程简单高效。.项目共发表论文7篇，其中SCI或EI收录6篇；录用和在审论文各2篇；培养硕士生2名。