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

C+CE

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

M

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