专利名称：一种粘土结构物裂缝扩展深度的定量计算方法
技术领域：
本发明涉及一种尾矿坝、土质边坡、提防等由粘土类材料堆筑的 结构物中裂缝扩展深度的定量计算方法。
背景技术：
尾矿坝、土质边坡、堤防等大型岩土工程，大都以粘土类材料堆 筑形成，这些粘土结构物发生溃坝、滑坡及溃提等灾害大都以横纵向 贯穿裂缝为先导，充分认识粘土结构物裂缝产生和扩展规律，定量计 算并预测粘土结构物中裂缝扩展深度，对于预防安全生产事故的发 生，确保这些粘土结构物周边人民群众生命财产安全具有重要意义。
长期以来，国内外学者针对粘土结构物裂缝问题的研究大都侧重 于土体抗拉强度的测定，尚无粘土结构物裂缝扩展深度的定量计算方 法，尚无衡量粘土结构物抵抗裂缝扩展能力的指标和方法，主要依据 工程经验、粘土结构物受压程度进行定性判断和说明，这些现有技术 存在受主观性因素影响较多，操作性差、缺乏科学依据等缺点。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种粘土结构物裂缝扩展深度的定量 计算方法，以解决上述现有技术中的缺陷。
为实现上述目的，本发明的技术方案是釆用 一种粘土结构物裂缝
扩展深度的定量计算方法，该方法包括
51、 用一条含密集、平行裂缝的断裂带来描述粘土结构物的宏观 裂缝；
52、 利用粘土材料的拉伸实验，求解粘土结构物断裂带抵抗裂缝 扩展能力的断裂能和抗拉强度；
53、 利用所求解的断裂能指标，求解粘土结构物断裂带尺寸；说明书第2/8页
54、 根据所述断裂带尺寸，划分单元网格；
55、 利用有限元计算方法，对所划分的每个单元网格计算受力变 形，获得某缝面作用力下的裂缝扩展深度。
其中，所述步骤S5包括
S5-l、根据开裂准则，判断每个单元网格是否开裂；
S5-2、若没有开裂，则利用整体坐标系下的各向同性非线性弹性 模型表示应力应变的非线性关系；
若已开裂，则利用局部坐标系下的各向异性钝断裂带模型描述该 单元的开裂后的非线性关系；
S5-3、通过整体坐标系与局部坐标系转换矩阵，将开裂后的单元 网格的非线性关系转化为整体坐标系的关系，获得某缝面作用力下的 裂缝扩展深度其中，所述步骤S5-1的开裂准则为当单元网格的最小主应力达 到抗拉强度时，粘土材料会发生拉伸破坏，并在垂直于最小主应力的 方向发生裂缝。
其中，所述步骤S5-2中的各向同性非线性弹性模型为
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中△ 、Ac^、 A、分别为平面应变下单元网格的水平应力增量、 垂直应力增量、剪应力增量；△&、 A^、 A^分别为平面应变下单元
网格的水平应变增量、垂直应变增量、剪应变增量；v为泊松比；G为 剪切模量；《为切线弹性模量，计算公式为
￡,=五-M (丄"-￡4 5,(丄"其中，所述步骤S5-2中的各向异性钝断裂带模型为
d" d;2 0 o o d;33.
其中[z ']为土体单元在局部坐标系中的应力应变关系矩阵；/ 为剪 切模量折减系数；^为弹性模量折减系数，其它参数的计算方法为
d;2 =
E(卜—) (l + v)(l-v-2—)
d;3 = "G
d;2=d'21 =
1- /-2^
其中，所述步骤S5-3中的转换矩阵为-.为土体单元在局部坐标系中的应力应变关系矩阵；P为剪 切模量折减系数；^为弹性模量折减系数。此外，其它参数的计算方
法为
D, _ E(l-—) 22 —(l + 。(l國v-2/n/2)
D;3 = ;^G
S5-3、通过整体坐标系与局部坐标系转换矩阵，将开裂后的单元 网格的非线性关系转化为整体坐标系的关系，获得某缝面作用力下的 裂缝扩展深度。和[D']分别为整体坐标系和局部坐标系下的刚度矩阵，两个刚 度矩阵的关系为
其中，[i ]为整体坐标系与裂缝局部坐标系转换矩阵。 转换矩阵的计算方法为
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为局部坐标系与整体坐标系的夹角。
如图7所示，计算对每个单元单元一个接着一个计算，当该单元 没有达到抗拉强度时，用各向同性非线性弹性模型表示应力应变的非 线性关系(该关系是整体坐标系下的)；当某个单元达到抗拉强度时， 用各向异性钝断裂带模型描述该单元的开裂后的行为(该行为是局部 坐标系下的)，然后通过整体坐标系与裂缝局部坐标系转换矩阵，将 开裂后的单元的非线性关系转化为整体坐标系的关系。逐个单元计算 完后，就可以得到在这个缝面作用力下的裂缝扩展深度，最终得到如
图7所示的8m的扩展深度
本发明的鉴定方法先进、计算准确、工程应用前景广，可以为尾 矿坝、土质边坡、提防等大型岩土工程粘土结构物的安全生产事故预 警预报提供重要依据，对于大型岩土工程的安全管理具有十分重要的 现实意义。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范 围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技 术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围 之内。
权利要求
1、一种粘土结构物裂缝扩展深度的定量计算方法，其特征在于，该方法包括S1、用一条含密集、平行裂缝的断裂带来描述粘土结构物的宏观裂缝；S2、利用粘土材料的拉伸实验，求解粘土结构物断裂带抵抗裂缝扩展能力的断裂能和抗拉强度；S3、利用所求解的断裂能指标，求解粘土结构物断裂带尺寸；S4、根据所述断裂带尺寸，划分单元网格；S5、利用有限元计算方法，对所划分的每个单元网格计算受力变形，获得某缝面作用力下的裂缝扩展深度。
2、 如权利要求1所述的粘土结构物裂缝扩展深度的定量计算方 法，其特征在于，所述步骤S5包括S5-l、根据开裂准则，判断每个单元网格是否开裂；S5-2、若没有开裂，则利用整体坐标系下的各向同性非线性弹性 模型表示应力应变的非线性关系；若已开裂，则利用局部坐标系下的各向异性钝断裂带模型描述该 单元的开裂后的非线性关系；S5-3、通过整体坐标系与局部坐标系转换矩阵，将开裂后的单元 网格的非线性关系转化为整体坐标系的关系，获得某缝面作用力下的 裂缝扩展深度。
3、 如权利要求2所述的粘土结构物裂缝扩展深度的定量计算方 法，其特征在于，所述步骤S5-1的开裂准则为当单元网格的最小主 应力达到抗拉强度时，粘土材料会发生拉伸破坏，并在垂直于最小主 应力的方向发生裂缝。
4、 如权利要求2所述的粘土结构物裂缝扩展深度的定量计算方 法，其特征在于，所述步骤S5-2中的各向同性非线性弹性模型为<formula>formula see original document page 3</formula>其中A 、△ 、A、分别为平面应变下单元网格的水平应力增量、垂直应力增量、剪应力增量；A^、 A^、 Aj^分别为平面应变下单元网格的水平应变增量、垂直应变增量、剪应变增量；v为泊松比；G为 剪切模量；《为切线弹性模量，计算公式为
5、如权利要求2所述的粘土结构物裂缝扩展深度的定量计算方 法，其特征在于，所述步骤S5-2中的各向异性钝断裂带模型为<formula>formula see original document page 3</formula>其中[Z)']为土体单元在局部坐标系中的应力应变关系矩阵；p为剪 切模量折减系数；^为弹性模量折减系数，其它参数的计算方法为<formula>formula see original document page 3</formula>
6、如权利要求2所述的粘土结构物裂缝扩展深度的定量计算方 法，其特征在于，所述步骤S5-3中的转换矩阵为<formula>formula see original document page 3</formula>其中，^为局部坐标系与整体坐标系的夹角。
7、如权利要求1所述的粘土结构物裂缝扩展深度的定量计算方法，其特征在于，所述步骤S2的断裂能的计算公式为<formula>formula see original document page 4</formula>其中G,为断裂能，cr为断裂带的拉应力，『为断裂带的附加变形。
全文摘要
本发明涉及一种粘土结构物裂缝扩展深度的定量计算方法，该方法包括S1.用一条含密集、平行裂缝的断裂带来描述粘土结构物的宏观裂缝；S2.利用粘土材料的拉伸实验，求解粘土结构物断裂带抵抗裂缝扩展能力的断裂能和抗拉强度；S3.利用所求解的断裂能指标，求解粘土结构物断裂带尺寸；S4.根据所述断裂带尺寸，划分单元网格；S5.利用有限元计算方法，对所划分的每个单元网格计算受力变形，获得某缝面作用力下的裂缝扩展深度。本发明的粘土结构物裂缝扩展深度的计算方法，具有定量化、实用、精度高、工程应用前景广等优点。
文档编号G01B21/18GK101614537SQ20091008908
公开日2009年12月30日 申请日期2009年7月28日 优先权日2009年7月28日
发明者付士根, 张丙印, 张兴凯, 李全明, 庆 王, 王云海, 谢旭阳, 军 赵, 钟茂华, 马海涛 申请人:中国安全生产科学研究院