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基于离散元方法的红砂岩破坏机理研究 摘 要 近年来，随着我国城市化水平的不断提高，开发面积不断扩大，不可避免的 产生各类地质灾害。研究岩石的破坏机理对于工程开发和地质灾害治理等具有极 其重要的意义。经大量的文献调研得出，离散元软件PFC在研究岩石的破坏机理 方面独具优势，且在岩土工程中的应用十分广泛，其主要问题为细观参数的标定， 目前大多数学者采用“试凑法”而此方法工作量且盲目性较大，对岩石破坏机理 研究方面也有待开发之处。本文的研究方法主要为室内试验和计算机的数值模 PFC 拟。研究内容主要分为 细观参数敏感性分析、红砂岩室内试验、细观参数智 5 能识别、含孔洞红砂岩破坏机理离散元研究、岩体爆破工况模拟结合 个部分， 结果如下： 1 PFC （）在 中采用平直节理的本构模型来模拟红砂岩，并对本构模型中的 - 细观参数进行敏感性分析，筛选得到了对于应力应变曲线影响显著的细观参数。 且证明平直节理模型能够满足UCS/TS值。 2 （）开展红砂岩试件的单轴加载试验，并结合数字散斑技术，获得了红砂 岩试件的物理参数及软件VIC-2D制作的应变云图，用于下一步的数值模拟分析 工作。选取的BP神经网络算法可以精确地的建立宏-细观参数映射关系，误差较 - - 小，模拟得到的应力应变曲线与物理试验应力应变曲线高度吻合。 3 （）研究含不同孔洞形状红砂岩的破坏机理，单向应力条件下，孔洞的存 在导致试件的峰值应力明显下降，而孔洞的形状也直接影响试件的峰值应力强 度，马蹄形孔洞试件强度最大、其次是圆形孔洞试件、最后是矩形孔洞试件；双 向应力条件下，进一步研究围压对不同孔洞试件的破坏机理，与单向应力不同的 是围压主要限制了裂缝扩展。 4 （）结合实际的工程研究光面爆破，引入人工边界建立离散元模型，从炸 药埋深、装药量以及爆炸时间三个方面分析对于爆破的影响，根据工程概况模拟 光面控制爆破，模拟结果表明：模型能够有效的确保开挖区岩石的爆破工作且完 整的保留炸孔周围的岩体。 关键词：红砂岩，离散元，智能算法，应力-应变曲线，爆破 III 目 录 摘 要III ABSTRACT IV 第一章 绪论1 1.1 选题背景及意义 1 1.2 国内外研究现状 2 1.2.1 细观参数智能识别方法研究现状 2 1.2.2 含孔洞红砂岩破坏机理研究现状 4 1.2.3 岩体爆破研究现状5 1.3 研究内容与技术路线 6 1.3.1 研究内容6 1.3.2 技术路线7 第二章 细观参数敏感性分析9 2.1 颗粒流离散元程序 9 2.2 颗粒流程序接触本构模型 10 2.2.1 平行黏结本构模型10 2.2.1 平直节理本构模型11 2.2.1 选取本构模型12 2.3 平直节理本构模型敏感性分析 12 2.3.1 弹性模量敏感性分析14 2.3.2 刚度比敏感性分析14 2.3.3 抗拉强度敏感性分析15 2.3.4 黏聚力敏感性分析15 2.3.5 摩擦系数敏感性分析16 2.4 平直节理本构模型UCS/TS 值验证16 第三章 BP神经网络智能识别细观参数19 3.1 红砂岩室内单轴加载试验 19 3.1.1 试件的采样及设备选取19 3.1.2 试验结果分析21 3.2 选取适合智能算法