彈脆性鍵元胞模型及其在巖石動(dòng)態(tài)斷裂模擬中的應(yīng)用.pdf

1、離散化虛內(nèi)鍵模型(DVIB)是一種新型的格子模型，其離散結(jié)構(gòu)由鍵元胞組成，每個(gè)鍵元胞可以代表一個(gè)礦物顆粒，因而它能再現(xiàn)巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征。本文以DVIB為基本力學(xué)模型，首先對(duì)巖石進(jìn)行理論建模，然后再通過數(shù)值模擬的手段對(duì)應(yīng)力波引起的巖石層裂問題及爆破荷載作用下的巖石破裂問題進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其中的一些基本規(guī)律。
　　巖石是典型的彈脆性材料。為了再現(xiàn)這種彈脆性特征，提出了廣義彈脆性Stillinger-Weber勢(shì)函數(shù)。該勢(shì)函數(shù)認(rèn)為鍵元胞中

2、每條鍵的能量不僅與鍵本身的變形有關(guān)，還和與其它鍵所形成的鍵角相關(guān)。當(dāng)鍵的變形超過一定值時(shí)，該鍵即發(fā)生斷裂。在斷裂之前鍵是線彈性的。而鍵角是否存在抗力決定于兩個(gè)因素。其一是鍵角本身的變化，當(dāng)鍵角的變化超過一定值時(shí)鍵角即失去抗力。在鍵角失去抗力前，鍵角抗力與鍵角變化成線性關(guān)系。其二是構(gòu)成鍵角的兩條鍵的狀態(tài)。當(dāng)其中的一條鍵發(fā)生斷裂時(shí)，鍵角即失去抗力。采用該彈脆性勢(shì)函數(shù)描述DVIB中鍵元胞能量，可再現(xiàn)巖石彈脆性特征，同時(shí)也可再現(xiàn)不同泊松比。數(shù)值

3、模擬表明，這種基于彈脆性SW勢(shì)函數(shù)的DVIB可以準(zhǔn)確地模擬應(yīng)力波在巖石中傳播過程，并且能夠模擬巖石在沖擊荷載作用下由應(yīng)力波引起的巖石層裂過程。研究結(jié)果進(jìn)一步表明，巖石的彈性模量對(duì)層裂有著重要的影響。在堅(jiān)硬巖石中會(huì)產(chǎn)生明顯的層裂現(xiàn)象，而在軟巖中則不能。相較于巖石模量，非均質(zhì)性對(duì)層裂的影響比較小。
　　一般巷道圍巖中含有淺層節(jié)理，為了探究這些淺層節(jié)理對(duì)巖石層裂的影響，從而為了更好地控制圍巖失穩(wěn)，采用本模型對(duì)該問題進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。以

4、不含淺層節(jié)理的巖石層裂位置作為參考位置，研究結(jié)果表明，當(dāng)淺層水平節(jié)理處于參考位置以內(nèi)時(shí)，對(duì)層裂基本沒有影響。而當(dāng)水平節(jié)理處于參考位置以外時(shí)，對(duì)層裂影響顯著，水平節(jié)理會(huì)被拉開、擴(kuò)展，同時(shí)在參考位置會(huì)產(chǎn)生拉裂，擴(kuò)展的水平節(jié)理與參考層裂位置處的裂紋發(fā)生匯合。當(dāng)斜裂紋位于參考層裂位置外部時(shí)，對(duì)層裂模式影響較小。當(dāng)斜裂紋位于內(nèi)部和跨越參考層裂位置時(shí)，對(duì)層裂模式影響較大。對(duì)于內(nèi)斜裂紋情形，不但在參考位置處發(fā)生層裂現(xiàn)象，而且內(nèi)斜裂紋本身也發(fā)生擴(kuò)展至自

5、由面，與層裂裂紋一同將表層巖體切割成巖塊并沿斜裂紋方向彈出?？缭叫绷鸭y層裂破壞與內(nèi)斜裂紋基本相同，但在參考位置以內(nèi)，還產(chǎn)生了平行于跨越斜裂紋的衍生裂紋。
　　裂尖材料的超彈性對(duì)動(dòng)態(tài)斷裂起著控制作用，為了再現(xiàn)巖石裂尖材料這種超彈性，在彈脆性SW勢(shì)函數(shù)基礎(chǔ)上又做了進(jìn)一步改進(jìn)，鍵在斷裂之前應(yīng)用超彈性勢(shì)函數(shù)來描述，當(dāng)鍵變形超過一定值時(shí)，鍵即刻發(fā)生斷裂。并以此模型為基礎(chǔ)對(duì)巖石巖石爆破斷裂過程進(jìn)行了模擬。為了再現(xiàn)氣體壓力，采用JWL方程描述爆