三維條件下的巖石破裂過程分析及其數(shù)值試驗(yàn)方法研究.pdf

1、巖石破裂是一個(gè)復(fù)雜的非平衡、非線性的演化過程。研究巖土工程材料的破裂過程，對揭示材料破裂過程的宏觀非線性力學(xué)行為，評價(jià)巖石以及巖石工程的安全狀態(tài)，了解巖土工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及采取合理的支護(hù)措施，都具有重要的理論意義和工程價(jià)值。 巖石力學(xué)與工程問題本身就是三維的力學(xué)問題。除了少數(shù)的巖石力學(xué)問題可以簡化為平面問題或者軸對稱問題來進(jìn)行處理外，二維模型的應(yīng)用都是很有限的。由于巖石和巖體中非均勻性的存在，很容易產(chǎn)生不對稱破壞。一旦涉及到不

2、對稱性的破壞，幾乎所有的二維破壞問題都變成了三維破壞問題。 一方面，巖石介質(zhì)是非透明材料，給巖石內(nèi)部三維裂紋擴(kuò)展和試件破壞觀測帶來非常大的困難。即使對于均質(zhì)材料，經(jīng)典斷裂力學(xué)在三維破裂中遇到數(shù)學(xué)的困難，而對于極不均勻性的巖石介質(zhì)的破裂問題還更難通過解析理論進(jìn)行準(zhǔn)確的描述。另一方面，在實(shí)驗(yàn)室的三軸試驗(yàn)中，因?yàn)樵嚰谱饕约凹虞d條件的困難，往往采用偽三軸試驗(yàn)代替真三軸試驗(yàn)。數(shù)學(xué)理論上的復(fù)雜性、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場觀測試驗(yàn)條件和技術(shù)的限制，

3、都給巖石三維破裂過程的研究帶來很大的困難。有限元方法仍然是解決這些問題的強(qiáng)有力的工具之一。以往數(shù)值模擬分析的目的往往是為了得到一個(gè)滿意的初始應(yīng)力場變形場或者最終受力結(jié)果，隨著計(jì)算環(huán)境的改善和實(shí)際問題的客觀要求的發(fā)展，巖石破裂過程分析正在轉(zhuǎn)向整個(gè)結(jié)構(gòu)和一個(gè)發(fā)展過程的全程模擬。本文的研究工作可以總結(jié)為以下幾個(gè)方面： 1、巖石三維破裂過程分析模型研究：采用Weibull等各種隨機(jī)分布函數(shù)描述巖石材料的細(xì)觀非均勻性，并通過Monte-C

4、arlo方法實(shí)現(xiàn)單元力學(xué)屬性的隨機(jī)賦值。在考慮細(xì)觀單元非均勻性的基礎(chǔ)上，建立三維彈性損傷演化本構(gòu)模型，通過非均勻介質(zhì)變形過程中微破裂積累造成的力學(xué)性質(zhì)弱化來反映巖石宏觀變形非線性的本質(zhì)特征。 2、分析系統(tǒng)開發(fā)：采用數(shù)值計(jì)算速度較快的Fortran語言在PowerStation平臺開發(fā)RFPA3D系統(tǒng)的應(yīng)力分析模塊，并在LinuxRedhat9.0平臺下開發(fā)并行有限元計(jì)算模塊，采用功能強(qiáng)大的MicrosoftVisualC++語言

5、開發(fā)RFPA3D系統(tǒng)的獨(dú)特的三維破壞分析模塊，并利用MicrosoftVisualC++語言開發(fā)RFPA3D和RFPA3D-Parallel系統(tǒng)方便友好高效的前后處理界面及其接口，采用SGL公司跨平臺強(qiáng)大圖形庫模塊OpenGL來實(shí)現(xiàn)軟件模擬結(jié)果的圖形圖像的顯示。 3、基本力學(xué)試驗(yàn)及其機(jī)理模擬分析：分析巖石不同非均勻性、壓拉比和殘余強(qiáng)度下的變形破壞行為，模擬分析試件尺寸效應(yīng)、試件形狀效應(yīng)、加載端部剛度效應(yīng)，以及不同的加載方式以及采

6、用不同的破壞準(zhǔn)則、細(xì)觀單元不同的隨機(jī)分布類型、不同的損傷模型對巖石破裂過程的影響，分析了圍壓效應(yīng)和真三軸試驗(yàn)下的中間主應(yīng)力效應(yīng)。 4、斷裂力學(xué)試驗(yàn)?zāi)M：研究空間三維裂紋的萌生、擴(kuò)展、相互作用和貫通的機(jī)理，以及裂紋角度、裂紋長度和裂紋深度對表面裂紋擴(kuò)展和貫通的影響。模擬巖石在單軸壓縮破壞、單軸拉伸斷裂、剪切斷裂以及復(fù)合斷裂破壞過程，綜合分析試驗(yàn)結(jié)果和聲發(fā)射空間分布圖像、數(shù)值試驗(yàn)圖像以及這些圖像與各自應(yīng)力應(yīng)變曲線之間的關(guān)系，研究巖石

7、破裂過程中應(yīng)力場、位移場和微破裂空間演化的基本規(guī)律以及非線性行為(包括自組織臨界現(xiàn)象、分形和逾滲行為)。 5、高性能并行計(jì)算：編制大規(guī)模并行計(jì)算軟件，通過物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值試驗(yàn)對比分析了含單孔巖石破壞過程，分析孔徑和邊界對破壞強(qiáng)度以及破壞模式的影響，最后還模擬巖體中的等間距裂紋現(xiàn)象，分析了非均勻性和應(yīng)力方向性的作用。 材料的破壞過程，一直是力學(xué)、材料和工程等學(xué)科的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一，而數(shù)值模擬方法是研究材料破壞過程的一種重要

8、手段。本文。將巖石變形破壞特征、統(tǒng)計(jì)理論和計(jì)算力學(xué)相結(jié)合，編制了用以研究巖石三維破裂過程的分析系統(tǒng)。本文的數(shù)值模擬有以下特點(diǎn)： 1、通過模擬一些常見的巖石力學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律，對數(shù)值模擬結(jié)果不僅進(jìn)行了理論分析，而且與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比驗(yàn)證也貫穿其中。 2、通過考慮細(xì)觀上的非均勻性，實(shí)現(xiàn)了宏觀破壞過程中的非線性；采用細(xì)觀上的簡單本構(gòu)關(guān)系，卻可以模擬宏觀上復(fù)雜的破裂現(xiàn)象。 3、采用三維的數(shù)值模型，充分利用計(jì)算機(jī)的可視化功能，不

9、但可以得到加載中的應(yīng)力場演化和破壞演化過程，而且可以從細(xì)觀角度出發(fā)分析宏觀破裂的三維動態(tài)演化過程，這些都是在巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論無法分析得到的，可以使人們更清楚地認(rèn)識到巖石破壞機(jī)制和規(guī)律。 4、以往的數(shù)值分析注重于破壞現(xiàn)象的模擬，本文不僅僅分析了影響巖石破壞的重要力學(xué)參數(shù)，并且可以突破巖石力學(xué)試驗(yàn)的限制條件，系列性的分析了巖石力學(xué)中的一些基本性質(zhì)和力學(xué)現(xiàn)象。通過系列性的詳細(xì)對比分析，有利于解釋試驗(yàn)中發(fā)生的一些破壞現(xiàn)象，為改進(jìn)試驗(yàn)設(shè)