土石混合体全过程变形破坏仿真的数值流形法及其试验验证

Rock-soil mixture (RSM), a discontinuous, heterogeneous and complex geological material widely distributed in nature and artificial filling engineering, is constituted by rock and soil. Study on deformation and failure law of RSM is of significant influence on the deformation and stability assessment of engineering geological bodies. The finite element method(FEM), as a representative of continua methods, has to deploy conforming mesh for RSM problem, which will bring a great burden to the mesh generation and calculation. In spite of its own advantages, the discrete element method(DEM), as a representative of discontinuous methods, is difficult to determine the parameters between contact blocks. Based on the numerical manifold method(NMM), the present project aims to develop a numerical model to better represent the characteristic of RSM, and simulate the whole deformation and failure process of RSM. The EAB algorithm derived from SHI’s contact theory will be adopted so as to establish an efficient methodology to model the RSM structure. Meanwhile, two kinds of nonlinear model respectively reflecting the mechanical behavior of soil-rock interface and soil will be introduced into the NMM code to simulate the whole deformation and failure process of RSM. Using the developed program, the influences of parameters such as rock gradation and soil-rock interface characteristics, on deformation and failure process, peak and residual strength of RSM are investigated and verified through experimental results. At last, research results will be employed to study the excavation process of RSM tunnel to provide technical reference for optimizing construction process.

土石混合体是由土体和块石构成的非均匀、非连续的复杂地质材料，在自然界及人工填方工程中都广泛存在。研究土石混合体变形及破坏规律对于评价工程地质体的变形及稳定性具有十分重要的意义。以有限元为代表的连续性方法在模拟土石混合体问题时网格必须适应材料边界，这给网格剖分和计算都造成极大负担。以离散元为代表的非连续方法尽管有自己的优势，但难以确定块体间的计算参数。本项研究基于数值流形法(NMM),发展符合土石混合体特征的分析方法，实现对其全过程变形破坏的模拟。运用石氏接触理论的EAB算法，实现土石混合体结构高效建模，同时引入模拟土石界面和土体本身的两类非线性本构，开发模拟土石混合体变形及破坏全过程的数值流形法程序，揭示块石级配、土石界面特性等对土石混合体变形破坏过程、峰值强度以及残余强度的影响，并加以试验验证。最后，将研究成果用于土石混合体隧道围岩的开挖过程模拟，为优化施工过程提供技术参考。

本项研究基于数值流形法(NMM)，发展了符合土石混合体结构特征的分析方法，实现对其变形破坏全过程的模拟。运用石氏接触理论的EAB算法，实现土石混合体结构高效建模，同时引入模拟土石界面和土体本身的两类弹塑性本构，开发模拟土石混合体变形及破坏全过程的数值流形法程序。主要研究成果如下：.(1)提出了一种基于EAB理论的土石混合体块石高效投放算法。相较于已有块石投放算法，该投放算法不仅可以保证高含石量的投放，还能显著改善块石投放效率。.(2)建立了土石混合体变形破坏仿真的NMM。在NMM框架内，用过引入模拟土体本身和土石界面的两类弹塑性本构，模拟土石混合体非线性力学行为。引入改进的强度折减技术，建立强度折减数值流形法(SRNMM)。.(3)提出了基于NMM的土石混合体边坡开挖模拟算法。通过引入流形单元查找算法和生死算法，在NMM框架下成功实现土石混合体边坡开挖过程模拟。通过对比ABAQUS结果，对相应算法的正确性进行了验证。.(4)建立了多层覆盖数值流形法(MCNMM)。针对土石混合体中土/石力学特性差异较大的特点，采用不同数学覆盖系统离散块石和土体。在保证计算精度的前提下，MCNMM可显著提高传统数值流形法的计算效率。.(5)建立了局部加密多层覆盖数值流形方法(RMCNMM)。利用局部加密数值流形方法(RNMM)和MCNMM的优点，建立局部加密多层覆盖NMM(RMCNMM)，并应用于土石混合体边坡问题。.(6)提出了基于数字图像处理(DIP)技术的土石混合体边坡稳定性分析方法。基于文献资料，提出了基于DIP技术的土石混合体边坡结构模型建立方法。采用三峡库区真实土石混合体边坡截面图像，建立该边坡的结构模型，从而验证程序的正确性和有效性。.(7)开发了基于NMM的土石混合体等效渗透系数分析工具。利用土石混合体等效渗透系数分析工具，对块石形状、尺寸、含量以及主轴方向等因素对土石混合体等效渗透系数的影响规律进行了分析，得出了一系列有用的结论。.(8)开发了基于NMM的土石混合体无压渗流分析工具。提出了一种高效的无压渗流自由面更新策略，并植入到NMM软件平台。