岩石破裂过程的数值模拟研究

第!"卷第#期

岩石力学与工程学报

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岩石破裂过程的数值模拟研究D

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黄明利!唐春安!朱万成E

!中国科学院力学研究所F$GH

+辽宁工程技术大学$

北京

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沈阳

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阜新

E东北大学岩石破裂与失稳研究中心!+E,,,%$

摘要

+N

考虑不同粒度组成和缺陷分布的岩石C对其裂纹扩展I演化过程的影响C建立数学模型C应用JKLM程序分

析了均质度对岩石类脆性材料在外载作用下的裂纹扩展I演化过程的影响C和相关的实验结果进行对比C指出了均

质度对材料破坏过程的决定性影响O关键词分类号

非均质性C单裂纹C裂纹演化规律#+Q!CPE#’Q!P+

文献标识码

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文章编号

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在外载作用下的不同破坏失稳过程O并和相关的实

T引

言

验结果比较C表明了数值计算的可靠性O

岩体中裂纹的扩展是地学领域的重要研究课题C对于理解井巷工程稳定性I边坡失稳和地震等地壳介质破裂过程的机制具有重要意义O几十年来有关

!)SV

它的研究取得了长足的进展UO岩体是由多种矿物

c数值模拟模型

ch

cQT岩石破裂过程分析程序defg概述

+N

本文所用JKLM系统C是一个能模拟岩石介质’C*V

逐渐破坏过程的数值模拟工具UO和其他已有的逐

晶粒I胶结物及孔隙缺陷等组成的混合体C是自然界中经过亿万年的地质演变和地质构造运动所形成的最为复杂的固体材料之一O岩石中晶粒缺陷的随机分布导致其各向异性和非均质性C这对岩石在外载作用下的破坏行为产生显著影响O岩石在外载作用下的变形破坏过程C实质上就是岩石中的缺陷的萌生I长大I扩展和汇合的过程O裂纹不规则扩展I相互作用直至贯通是这类非均匀脆性材料破坏的主要形式O均质度对其破坏的影响是决定性的O考虑均质度影响C用解析方法分析裂纹扩展I演化影响是极其复杂的C在目前来说C甚至是不可能的O随着计算机的发展C有限元I边界元等数值算法在材料破坏分析方面的应用越来越广O而一种岩石力学的分析方法能否成功地解决实际岩土工程中的问题C在很大程度上取决于它是否真实地反映工程岩体所具有的非均匀性O

本文应用东北大学岩石破裂与失稳研究中心开

+N

发的J软件C%KLM$JWXYKZ[\]^_L^WX_‘‘MaZ\b‘[‘

考虑不同岩性均质度的影响C模拟了不同岩性岩石

渐破坏模型$kkL^Wi^_‘‘[j_KZ[\]^_K^ZXl]^_NZmZi_

(V+N

一样U%CJHWn_\KLM包括两个方面的功能&应力

+N

分析和破坏分析OJKLM的应力分析采用有限元法

进行O破坏分析则是根据一定的破坏准则来检查材料中是否有单元破坏O对破坏单元则采用刚度特性退化$处理分离%和刚度重建$处理接触%的办法进行处理O为了模拟试验机加载情况C采用位移加载方式O对于每一步给定的位移增量C首先进行应力计算O然后根据破坏准则来检查模型中是否有破坏单元O如果没有C继续增加一个位移增量C进行下一步应力计算O如果有破坏单元C则根据单元的拉或剪破坏状态进行刚度退化处理O然后重新进行当前步的应力计算O重复上述过程C直到整个材料产生宏观破坏O由于单元的破坏为脆性C因此认为单元破坏释放

’C*V的弹性能以声发射的形式释放UC据声发射特性来

观察岩石破裂过程O考虑到岩石类脆性材料的抗拉强度远小于抗压强度C因此本文采用了修正后的库

"V仑准则I包含拉伸截断U作为单元破坏的强度判据O

!""(年!!月!!日收到初稿C!"""年S月!"日收到修改稿O

D中国科学院力学研究所非线性连续介质力学开放实验室开放基金资助项目O

作者黄明利简介&男CE,岁C博士C!""!年毕业于辽宁工程技术大学采矿系采矿工程专业C现任讲师C主要从事岩石力学与采矿方面的研究工作O

万方数据

第&L卷第4期黄明利等$岩石破裂过程的数值模拟研究e4fJe

根据这一准则!单元的破坏可能是拉坏也可能是剪坏"

#$#计算数学模型%$%$&模型说明

为便于与本文所进行的带预制裂纹大理岩扫描电子显微镜’实验结果进行对比’见图&+!设()*+

计如图%所示的计算模型!计算范围为%,--.&,$,/0,$1/--!考虑大理岩中颗粒的平均粒径为,

,,.&,,2%,,,,个等面积单元!--!共划分为%

%

&,,个3--"裂纹预置在试样的中部!长为/--!与长边夹角为4/5"采用平面应力分析"为了研究材

为&步!每步加载量为3K"模拟过程共计加载&/,,$,,,/--"

P计算结果分析

为分析岩石均质度对其裂纹扩展过程的影响!

共进行了三个方案的模拟!因篇幅所限!只在图1

中列出有代表性结果!其中的四幅图皆为能代表’+M

中大理岩试样均质度相近的试样Q&和Q%表示和图%

在不同载荷阶段的声发射图SQ1为均质体到峰值强度T/U时的破坏图SV为均质度不同的两体试B的L

样到峰值强度L/U的破坏图"下面对此结果进行简要对比分析"

破坏’&+均匀材料中裂纹扩展的数值模拟表明!基本沿裂纹两端对称萌生和扩展’见图1中Q1+!所形成的主裂纹从宏观上看较光滑"模拟结果和文用树脂材料所做结果很吻合!也符合经典断裂E&&F

%;

力学有关翼型裂纹扩展的解析结果!说明789:方法对于脆性材料中裂纹扩展过程的模拟是可行的"’%+对于非均质的大理岩!对比图&和图1中Q&!Q%的实验和数值模拟结果!两者表现极强的一致性"由于实际岩石中晶粒和缺陷的随机分布!当受到外载荷时!由于各矿物对力的传递效率和自身变

破坏过程时空分布的声发射图!QR表示单岩体试样S

料显著非均质性对裂纹扩展过程的影响!同时又设计了裂纹两端伸入均质度不同的两岩体模型!如图%’+!白色表示均质度较好岩石!暗色表示均质度较6

差岩石"

%$%$%力学参数说明

%;

789:程序以某种分布形式对材料强度和弹性模量进行初始赋值"本文采用韦布尔’<=>6?@@+分布A’C!D+来近似反映缺陷和晶粒等各微元强度等力B

学参数的不同"根据文E&,F中结论知!韦布尔参量C是材料的结构参数!它反映了材料结构中缺陷分布不规则程度!在量值上是该材料结构分形维数G的%倍"其中参数C越大!表明岩石的性质越均匀"D为反映岩石材料平均性质的参数"本模型中!岩体力学参数如下H弹模I2JKL,,*9M!NJ,B2&

2,$%/"均质岩体C值取为&,,!非*9M!泊松比O均质体取为1"为了与试验模型一致!这里的割缝为

完全贯通的裂纹!在如图%所示的受力状态下!该裂缝不会闭合!而将不断地扩展"

单元破坏准则中的摩擦角取为1,5!拉压强度比

形不同!必然引起岩石内部应力场的不均匀分布!起初微破裂杂乱无章分布!随着载荷增加!微裂纹

产生局部应力集中!导致胶结最弱部位微裂纹产生"

逐渐在预置裂纹端部集中!当达到峰值强度/,U时!

并逐渐汇集W贯通成肉眼可见的宏观裂纹!方向大角S随着外载荷的致与预置裂纹垂直!与外力成4/5

图&预制裂纹大理岩试样裂纹扩展()*

$&(8>X)*YZ=[B\]^B_MBZ‘_]‘MXM[>]a>a[\=-M_6@=b>[\‘_==c>Y[>aXB_MB

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’+单体模型M’+两体模型6

图%计算数学模型

万方数据

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岩石力学与工程学报

E,,,年

增加!主裂纹逐渐形成!由于岩石的非均质性影响!裂纹的扩展和贯通蜿蜒曲折向前推进!所以从宏观看上去裂纹是粗糙的!但总的发展方向由与割缝方向垂直逐渐转向与最大主压应力方向平行"

通过#大理岩和砂岩等’试样进行$%对岩石&

细观破坏观察及数值模拟结果都表明!尽管岩样所受的是压缩载荷!但岩样中产生裂纹大多呈拉张脆性破坏"

&(’为了对比不同均质度岩样对裂纹发育过程的影响!设计了两体模型!上部为均质度较差岩石!)取(*下端为均质度较好岩体!)取+,,"从图(

中给出的临近峰值强度时的声发射图可见!在均&’-质性较差的上部!除贯通形成的主裂纹外!其他部位还有杂乱分布的微裂纹产生!而在下部则无此现象"这就进一步印证了上面的分析结果"

&.’除此以外!数值模拟还可以给出裂纹扩展过程中裂纹周围应力场的变化规律"如图.所示!从中可以清楚地看出裂纹尖端拉应力的集中!以及随着裂纹扩展!这种应力集中的释放和转移

"万方数据

图.最小主应力分布图

2.3/0104560-750898:;0986<609=0<>?456@44

A结

论

&+’本文通过对单轴加载下含单裂纹岩石试样

破坏的数值模拟结果与相关的实验结果分析表明!

E3

两者表现了较好的一致性!说明用B/CD程序对于

第’,卷第2期黄明利等(岩石破裂过程的数值模拟研究

)+(岩石力学与工程学报&’,,,&’-"’$/3303,*

F25,F

脆性材料中裂纹扩展过程的模拟是可行的!

"#$采矿等岩石工程诱发的微震活动性%地壳变形过程中的雁行断裂&地震孕育过程中的前兆%余震等等现象&都与岩石这种地质材料的非均匀性密切相关!本文的研究表明&材料非均匀性对岩石试样中的裂纹扩展模式有很大影响&忽略这种影响可能会掩盖许多岩石材料变形和破坏过程的特殊现象&尤其是裂纹扩展的模式!通过数值模拟方法&在模型中引入材料的非均匀性&可能会给岩石断裂力学的发展乃至地震科学中裂纹扩展问题的研究带来新的契机!

参

’张立之&方

2肖洪天&杨若琼&周维垣(三峡船闸花岗岩亚临界裂纹扩展试验

研究)+(岩石力学与工程学报&’,,,&’-"2$/2210234*3王水林&葛修润&章

光(受压状态下裂纹扩展的数值分析)+(*

岩石力学与工程学报&’,,-&’-"5$/51’0513

+(岩石力学与工程学5唐春安(岩石声发射规律数值模拟初探)*

报&’,,1&’5"#$/.5-0.12

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-崔维成(复合材料结构破坏过程的计算机模拟)+(复合材料学*

报&’,,5&’."2$/’4#0’’’

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考文献

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峰&谢和平(脆性材料的分形统计强度理论)+(固体力学*学报&’,,5&’1".$/#.,0#23

’’QF(:Y@AAQ&<?>7E<OF>W@?DDAF8A8I=B?I>AB@FB@7BH9@FSEN

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兴(含非均匀体岩板中混合型裂纹扩展过程实验

)+(地球物理学报&’,-,&.#"’$/’-.0’,.*#

陈静曦(裂纹扩展速度监测分析)+(岩石力学与工程学报&*’,,-&’1"2$/2#302#-.王桂尧&孙宗颀(断裂力学在震源机制分析中几个问题的探讨

/7)+(*A8Z@AEEC?DFCAID[A7CDWCAEEA8978IDN?7@G7AC=@?*F=@87CFG

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新书简介

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万字&定价#,元!

基坑工程事故分析与处理E一书由唐业清%李启民%崔江余编著&中国建筑工业出版社’年出版&.开本&3页&2D,,,#5-5(3该书是在大量调查国内基坑事故的基础上&对其进行分析总结&提出对基坑工程事故的预防措施%处理对策!该书精选一百六十余例基坑工程事故&分别介绍其施工背景&分析事故发生的原因&给出处理措施!该书还介绍了十五例成功的基坑工程实例%建筑基坑工程设计与施工要点及新技术%新进展&并附有大量的基坑工程事故和成功实例照片!

该书对从事建筑工程设计%施工及岩土工程的技术人员都有一定的参考价值!

万方数据

岩石破裂过程的数值模拟研究

作者：

作者单位：

黄明利， 唐春安， 朱万成

黄明利(中国科学院力学研究所LNM 北京 100080;辽宁工程技术大学阜新 123000)， 唐春安(中国科学院力学研究所LNM 北京 100080;东北大学岩石破裂与失稳研究中心沈阳 110006)， 朱万成(东北大学岩石破裂与失稳研究中心沈阳 110006)岩石力学与工程学报

CHINESE JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND ENGINEERING2000,19(4)64次

刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

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