專利名稱：一種粘土結(jié)構(gòu)物裂縫擴展深度的定量計算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種尾礦壩、土質(zhì)邊坡、提防等由粘土類材料堆筑的 結(jié)構(gòu)物中裂縫擴展深度的定量計算方法。
背景技術(shù)：
尾礦壩、土質(zhì)邊坡、堤防等大型巖土工程，大都以粘土類材料堆 筑形成，這些粘土結(jié)構(gòu)物發(fā)生潰壩、滑坡及潰提等災(zāi)害大都以橫縱向 貫穿裂縫為先導(dǎo)，充分認(rèn)識粘土結(jié)構(gòu)物裂縫產(chǎn)生和擴展規(guī)律，定量計 算并預(yù)測粘土結(jié)構(gòu)物中裂縫擴展深度，對于預(yù)防安全生產(chǎn)事故的發(fā) 生，確保這些粘土結(jié)構(gòu)物周邊人民群眾生命財產(chǎn)安全具有重要意義。
長期以來，國內(nèi)外學(xué)者針對粘土結(jié)構(gòu)物裂縫問題的研究大都側(cè)重 于土體抗拉強度的測定，尚無粘土結(jié)構(gòu)物裂縫擴展深度的定量計算方 法，尚無衡量粘土結(jié)構(gòu)物抵抗裂縫擴展能力的指標(biāo)和方法，主要依據(jù) 工程經(jīng)驗、粘土結(jié)構(gòu)物受壓程度進(jìn)行定性判斷和說明，這些現(xiàn)有技術(shù) 存在受主觀性因素影響較多，操作性差、缺乏科學(xué)依據(jù)等缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于提供一種粘土結(jié)構(gòu)物裂縫擴展深度的定量 計算方法，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是釆用 一種粘土結(jié)構(gòu)物裂縫
擴展深度的定量計算方法，該方法包括
51、 用一條含密集、平行裂縫的斷裂帶來描述粘土結(jié)構(gòu)物的宏觀 裂縫；
52、 利用粘土材料的拉伸實驗，求解粘土結(jié)構(gòu)物斷裂帶抵抗裂縫 擴展能力的斷裂能和抗拉強度；
53、 利用所求解的斷裂能指標(biāo)，求解粘土結(jié)構(gòu)物斷裂帶尺寸；說明書第2/8頁
54、 根據(jù)所述斷裂帶尺寸，劃分單元網(wǎng)格；
55、 利用有限元計算方法，對所劃分的每個單元網(wǎng)格計算受力變 形，獲得某縫面作用力下的裂縫擴展深度。
其中，所述步驟S5包括
S5-l、根據(jù)開裂準(zhǔn)則，判斷每個單元網(wǎng)格是否開裂；
S5-2、若沒有開裂，則利用整體坐標(biāo)系下的各向同性非線性彈性 模型表示應(yīng)力應(yīng)變的非線性關(guān)系；
若已開裂，則利用局部坐標(biāo)系下的各向異性鈍斷裂帶模型描述該 單元的開裂后的非線性關(guān)系；
S5-3、通過整體坐標(biāo)系與局部坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣，將開裂后的單元 網(wǎng)格的非線性關(guān)系轉(zhuǎn)化為整體坐標(biāo)系的關(guān)系，獲得某縫面作用力下的 裂縫擴展深度其中，所述步驟S5-1的開裂準(zhǔn)則為當(dāng)單元網(wǎng)格的最小主應(yīng)力達(dá) 到抗拉強度時，粘土材料會發(fā)生拉伸破壞，并在垂直于最小主應(yīng)力的 方向發(fā)生裂縫。
其中，所述步驟S5-2中的各向同性非線性彈性模型為
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中△ 、Ac^、 A、分別為平面應(yīng)變下單元網(wǎng)格的水平應(yīng)力增量、 垂直應(yīng)力增量、剪應(yīng)力增量；△&、 A^、 A^分別為平面應(yīng)變下單元
網(wǎng)格的水平應(yīng)變增量、垂直應(yīng)變增量、剪應(yīng)變增量；v為泊松比；G為 剪切模量；《為切線彈性模量，計算公式為
￡,=五-M (丄"-￡4 5,(丄"其中，所述步驟S5-2中的各向異性鈍斷裂帶模型為
d" d;2 0 o o d;33.
其中[z ']為土體單元在局部坐標(biāo)系中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系矩陣；/ 為剪 切模量折減系數(shù)；^為彈性模量折減系數(shù)，其它參數(shù)的計算方法為
d;2 =
E(卜—) (l + v)(l-v-2—)
d;3 = "G
d;2=d'21 =
1- /-2^
其中，所述步驟S5-3中的轉(zhuǎn)換矩陣為-.為土體單元在局部坐標(biāo)系中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系矩陣；P為剪 切模量折減系數(shù)；^為彈性模量折減系數(shù)。此外，其它參數(shù)的計算方
法為
D, _ E(l-—) 22 —(l + 。(l國v-2/n/2)
D;3 = ;^G
S5-3、通過整體坐標(biāo)系與局部坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣，將開裂后的單元 網(wǎng)格的非線性關(guān)系轉(zhuǎn)化為整體坐標(biāo)系的關(guān)系，獲得某縫面作用力下的 裂縫擴展深度。和[D']分別為整體坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系下的剛度矩陣，兩個剛 度矩陣的關(guān)系為
其中，[i ]為整體坐標(biāo)系與裂縫局部坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣。 轉(zhuǎn)換矩陣的計算方法為
D;2 0 {《}
COS A sin2 A 一2 cos々sin々
sin A cos々,sin A
cos2 A — cos A sin / , 2 cos A sin A cos2 〃 一 sin2"其中，A為局部坐標(biāo)系與整體坐標(biāo)系的夾角。
如圖7所示，計算對每個單元單元一個接著一個計算，當(dāng)該單元 沒有達(dá)到抗拉強度時，用各向同性非線性彈性模型表示應(yīng)力應(yīng)變的非 線性關(guān)系(該關(guān)系是整體坐標(biāo)系下的)；當(dāng)某個單元達(dá)到抗拉強度時， 用各向異性鈍斷裂帶模型描述該單元的開裂后的行為(該行為是局部 坐標(biāo)系下的)，然后通過整體坐標(biāo)系與裂縫局部坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣，將 開裂后的單元的非線性關(guān)系轉(zhuǎn)化為整體坐標(biāo)系的關(guān)系。逐個單元計算 完后，就可以得到在這個縫面作用力下的裂縫擴展深度，最終得到如
圖7所示的8m的擴展深度
本發(fā)明的鑒定方法先進(jìn)、計算準(zhǔn)確、工程應(yīng)用前景廣，可以為尾 礦壩、土質(zhì)邊坡、提防等大型巖土工程粘土結(jié)構(gòu)物的安全生產(chǎn)事故預(yù) 警預(yù)報提供重要依據(jù)，對于大型巖土工程的安全管理具有十分重要的 現(xiàn)實意義。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范 圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技 術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍 之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種粘土結(jié)構(gòu)物裂縫擴展深度的定量計算方法，其特征在于，該方法包括S1、用一條含密集、平行裂縫的斷裂帶來描述粘土結(jié)構(gòu)物的宏觀裂縫；S2、利用粘土材料的拉伸實驗，求解粘土結(jié)構(gòu)物斷裂帶抵抗裂縫擴展能力的斷裂能和抗拉強度；S3、利用所求解的斷裂能指標(biāo)，求解粘土結(jié)構(gòu)物斷裂帶尺寸；S4、根據(jù)所述斷裂帶尺寸，劃分單元網(wǎng)格；S5、利用有限元計算方法，對所劃分的每個單元網(wǎng)格計算受力變形，獲得某縫面作用力下的裂縫擴展深度。
2、 如權(quán)利要求1所述的粘土結(jié)構(gòu)物裂縫擴展深度的定量計算方 法，其特征在于，所述步驟S5包括S5-l、根據(jù)開裂準(zhǔn)則，判斷每個單元網(wǎng)格是否開裂；S5-2、若沒有開裂，則利用整體坐標(biāo)系下的各向同性非線性彈性 模型表示應(yīng)力應(yīng)變的非線性關(guān)系；若已開裂，則利用局部坐標(biāo)系下的各向異性鈍斷裂帶模型描述該 單元的開裂后的非線性關(guān)系；S5-3、通過整體坐標(biāo)系與局部坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣，將開裂后的單元 網(wǎng)格的非線性關(guān)系轉(zhuǎn)化為整體坐標(biāo)系的關(guān)系，獲得某縫面作用力下的 裂縫擴展深度。
3、 如權(quán)利要求2所述的粘土結(jié)構(gòu)物裂縫擴展深度的定量計算方 法，其特征在于，所述步驟S5-1的開裂準(zhǔn)則為當(dāng)單元網(wǎng)格的最小主 應(yīng)力達(dá)到抗拉強度時，粘土材料會發(fā)生拉伸破壞，并在垂直于最小主 應(yīng)力的方向發(fā)生裂縫。
4、 如權(quán)利要求2所述的粘土結(jié)構(gòu)物裂縫擴展深度的定量計算方 法，其特征在于，所述步驟S5-2中的各向同性非線性彈性模型為<formula>formula see original document page 3</formula>其中A 、△ 、A、分別為平面應(yīng)變下單元網(wǎng)格的水平應(yīng)力增量、垂直應(yīng)力增量、剪應(yīng)力增量；A^、 A^、 Aj^分別為平面應(yīng)變下單元網(wǎng)格的水平應(yīng)變增量、垂直應(yīng)變增量、剪應(yīng)變增量；v為泊松比；G為 剪切模量；《為切線彈性模量，計算公式為
5、如權(quán)利要求2所述的粘土結(jié)構(gòu)物裂縫擴展深度的定量計算方 法，其特征在于，所述步驟S5-2中的各向異性鈍斷裂帶模型為<formula>formula see original document page 3</formula>其中[Z)']為土體單元在局部坐標(biāo)系中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系矩陣；p為剪 切模量折減系數(shù)；^為彈性模量折減系數(shù)，其它參數(shù)的計算方法為<formula>formula see original document page 3</formula>
6、如權(quán)利要求2所述的粘土結(jié)構(gòu)物裂縫擴展深度的定量計算方 法，其特征在于，所述步驟S5-3中的轉(zhuǎn)換矩陣為<formula>formula see original document page 3</formula>其中，^為局部坐標(biāo)系與整體坐標(biāo)系的夾角。
7、如權(quán)利要求1所述的粘土結(jié)構(gòu)物裂縫擴展深度的定量計算方法，其特征在于，所述步驟S2的斷裂能的計算公式為<formula>formula see original document page 4</formula>其中G,為斷裂能，cr為斷裂帶的拉應(yīng)力，『為斷裂帶的附加變形。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種粘土結(jié)構(gòu)物裂縫擴展深度的定量計算方法，該方法包括S1.用一條含密集、平行裂縫的斷裂帶來描述粘土結(jié)構(gòu)物的宏觀裂縫；S2.利用粘土材料的拉伸實驗，求解粘土結(jié)構(gòu)物斷裂帶抵抗裂縫擴展能力的斷裂能和抗拉強度；S3.利用所求解的斷裂能指標(biāo)，求解粘土結(jié)構(gòu)物斷裂帶尺寸；S4.根據(jù)所述斷裂帶尺寸，劃分單元網(wǎng)格；S5.利用有限元計算方法，對所劃分的每個單元網(wǎng)格計算受力變形，獲得某縫面作用力下的裂縫擴展深度。本發(fā)明的粘土結(jié)構(gòu)物裂縫擴展深度的計算方法，具有定量化、實用、精度高、工程應(yīng)用前景廣等優(yōu)點。
文檔編號G01B21/18GK101614537SQ20091008908
公開日2009年12月30日 申請日期2009年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月28日
發(fā)明者付士根, 張丙印, 張興凱, 李全明, 慶 王, 王云海, 謝旭陽, 軍 趙, 鐘茂華, 馬海濤 申請人:中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院