层状岩体中三维裂隙的分析方法和力学特性研究

本项目以申请者发展的层状材料对偶边界元法为基础，研究适应于层状岩体分析的数值方法，并分析层状岩体中三维裂隙张开闭合和扩展的力学特性。分析层状裂隙岩体时，将结构体视为弹塑性材料，将裂隙的张开闭合扩展视为非线性力学过程。沿结构体边界或开挖面和裂隙面划分单元，对于可能进入塑性状态的区域划分块体单元。.将建议的方法用于：（1）含有一组或几组三维裂隙的大尺寸层状岩体试件力学分析，试件上作用着不同类型的荷载。分析加载过程中层状岩体中裂隙力学状态和层状岩体试件破坏过程；并辅以室内层状含裂纹试件试验，验证数值分析结果。（2）针对不同层状裂隙岩体工程进行分析。.该项目将提供一种方便、快速和准确地分析层状岩体稳定性的数值方法，并获得层状岩体中三维裂隙非线性力学状态。除层状裂隙岩体外，建议的数值方法还能方便地用于分析其它结构类型的裂隙岩体。

分析层状裂隙岩体时，传统边界元法和间断位移法需要沿层面划分单元,并引入无穷单元考虑远场的影响。如果所遇到的层状岩体由许多层组成，需要采用多区域法处理，这种方法的效率很低。如果岩体的力学性质沿某一方向非均匀变化，就不能采用上述方法。本项目基于层状材料和横观各向同性双材料基本解，开展研究。取得了丰富的如下研究成果：.（1）发展了基于层状材料基本解和横观各向同性双层材料基本解的间断位移方法，计算了两类材料中作用均匀和非均匀压应力时裂隙的应力强度因子，给出了不同岩性组合情况下裂隙岩体断裂力学特性的变化规律，揭示了岩体非均匀对断裂力学特性的影响规律。.（2）发展了分布荷载作用下层状材料产生的应力和位移场的数值计算方法。在对该方法进行验证的基础上，将其应用于分析由水库蓄水引起的库底的应力和位移场，并将其用于计算矩形分布荷载引起非均匀材料中应力和位移场。发展了分析横观各向同性双层材料中矩形分布荷载作用下位移和应力场的解析方法，并提供了大量分析成果。.（3）基于层状材料基本解，发展了分析煤层开采引起地表的移动和变形的边界元方法。这种方法在分析煤层开采引起的地表移动时，仅仅离散开挖区域的边界，无须沿层面离散，大大提高了计算效率。. 目前正在进行的研究和将要研究的问题如下：.（1）边界元法形成的线性方程组系数矩阵为一个非对称满系数矩阵。我们编写了广义极小残值算法（非对称）的程序并将其耦合于已有的程序中去，大大提高了解题规模和解题速度。.（2）将煤系地层视为三维层状介质，依据实测数据，对煤层开采在煤柱引起的支承压力进行简化，利用已发展的方法，分析采动对底板的影响。此分析不仅能获得底板应力场，还能得到底板岩层的位移。.（3）改进Barton-Bandis模型，使该模型便于在边界元方法中实现。分析层状岩体中三维裂隙扩展时，第k步裂隙的刚度可以用第k-1步裂隙的闭合和滑移值来计算；为了避免增量方法带来的误差积累，需要在每一增量步内，采用修正方法。.（4）分析煤层开采引起的底板裂隙断裂力学特性。首先分析开采扰动下煤层底板应力场的变化；利用断裂力学的叠加原理获取裂隙的分析模型；采用间断位移方法，分析采动和水压力共同作用下煤层底板裂隙的断裂力学特性。评价给定裂隙形态和水压力下，底板突水的可能性。