压头作用下岩石破碎过程的细观模拟

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（１．大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁大连１１６０２４；２．哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨１５００００）

摘㊀要：采用平行粘结细观本构模型，在岩石颗粒尺度上研究了压头侵入岩石的破坏过程。分析讨论了岩石材料平行粘结模型细观参数与宏观力学参数之间的映射关系。为了实现表征颗粒连接破坏模式，应用ＦＩＳＨ语言编写一个伺服程序，检测每个颗粒连接的受力状态。依据所建立的颗粒连接破坏准则，并对每个颗粒连接进行破断与否的评估，实现描述颗粒连接的破坏功能。研在压头垂直压力作用下，岩石试件内形成了３条主环向拉力链，它与宏观的小主应力方向究表明，一致。环向拉力链最大影响深度随着压头压入深度的增加而增加。与此同时，出现了几条径向压力链，它与宏观的大主应力方向基本一致。岩石试件裂纹是由环向拉应力和剪应力大于颗粒平行连接胶结材料的强度引起的。关键词：岩石试件；破碎过程；参数估计；细观模拟；压头侵入；平行粘结模型中图分类号：ＴＵ４４３㊀㊀㊀文献标志码：Ａ
第３６卷㊀第６期２０１６年１１月
西安
科
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大
学
学
报
Ｖｏｌ．３６㊀Ｎｏ６Ｎｏｖ２０１６
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＸＩ ’ ＡＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐａｒａｌｌｅｌｂｏｎｄｍｏｄｅｌｉｎｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｉｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｒｏｃｋｓｐｅｃｉｍｅｎｕｎｄｅｒａｃｔｉｏｎｏｆｉｎｄｅｎｔｅｒ．Ｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｍａｐｐｉｎｇｒｅｌａｔｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｍｅｓｏｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｍｏｄｅｌａｎｄｍａｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｒｏｃｋｓｐｅｃｉｍｅｎａｒｅａｎａｌｙｔｉｃａｌｌｙｂｒｉｄｇｅｄ．Ｉｎｏｒｄｅｒ，ｔｈｅｓｅｒｖｉｎｇｐｒｏｇｒａｍｉｓｃｏｄｅｄｔｏｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｍｏｄｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｂｏｎｄｓｏｆｐａｒｃｅｌｓｅａｃｈｏｔｈｅｒｗｉｔｈＦＩＳＨｌａｎｇｕａｇｅ，ａｎｄｔｈｅｓｔｒｅｓｓｓｔａｔｅｓｆｏｒｅｖｅｒｙｂｏｕｎｄｉｓｃｈｅｃｋｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｃｒｉｔｅｒｉｏｎｆｏｒｔｈｅｂｏｎｄｓｏｆｐａｒｃｅｌｓ，ｔｈｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｆｏｒｗｈｅｔｈｅｒｅｘｉｓｔｓｆｒａｃｔｕｒｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｂｏｎｄｓｏｆｐａｒｃｅｌｓｉｓｐｅｒｆｏｒｍｅｄ．Ｔｈｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓｈｏｗｓｔｈａｔｕｎｄｅｒｔｈｅａｃｔｉｏｎｏｆｖｅｒｔｉｃａｌｉｎｄｅｎｔｅｒ，ｔｈｅｔｒｅｅｔｅｎｓｉｌｅｆｏｒｃｅ，ａｎｄｔｈｅｉｒｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓａｒｅｓａｍｅａｓｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｃｈａｉｎｓａｒｅｐｒｏｄｕｃｅｄｉｎｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎｍｉｎｏｒｐｒｉｎｃｉｐａｌｓｔｒｅｓｓ．Ｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓｏｆｒａｄｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｆｏｒｃｅｃｈａｉｎｓａｒｅｓａｍｅａｓｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｍａｊｏｒｐｒｉｎｃｉｐａｌｓｔｒｅｓｓ．Ｔｈｅｃｒａｃｋｓｉｎｒｏｃｋｓｐｅｃｉｍｅｎａｒｅｉｎｄｕｃｅｄｂｙｔｅｎｓｉｌｅｆｏｒｃｅｉｎｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｎｄｓｈｅａｒｆｏｒｃｅｗｈｅｎｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｓｓｏｒｓｈｅａｒｓｔｒｅｓｓｉｓｌａｒｇｅｒｔｈａｎｍａｔｅｒｉａｌｓｔｒｅｎｇｔｈ．
０㊀引㊀言
离散元方法是当今非连续介质力学数值方法中应用于岩石和混凝土等脆性材料的最广泛而且最有效的方法之一。其最大特点是可以反映岩石块体之间的接触面滑移、分离以及倾覆旋转，表征岩体内部节理、裂隙和断层等非连续特性，同时还能够计算块体内部的变形和应力，尤其对于描述岩石破坏过程的细观机制具有内在的优越性。已经广泛应用于岩石边坡稳定性分析、地下厂房围岩稳定性和破坏过程模拟、混凝土结构的裂缝扩展、破坏与倒塌过程分析、盾构机滚刀破岩过程分析和混凝土大坝及其基础破坏机制等岩石工程领域。Ｇｕ提出了刚体－弹簧模型模拟混凝土材料初始缺陷和骨料分布特性，所建立的离散元模型包括粗骨料、细骨料、砂浆和粘结界面，并且考虑了这些材料的随机分布特性。Ｊａｍｅｓ研究了非均质岩石细观裂纹的分布特性，提出了颗粒断裂的破坏准则。Ｇｒａｙ回顾了地质结构体的有限元和离散元建模问题，分析了有限元、离散元和有限差分法的在表征非连续地质体力学特性的适用性。Ｓｈｍｕｌｅｖｉｃｈ应用离散元方法（ＰＦＣ）模拟了切刀与土体之间的相互作用特性，研究表明该方法模拟的结果与实验结果基本一致，其目的在于通过优化切刀的形状，提高切刀破土的能量利用率。Ｏｎｏ采用三维离散元方法模拟了切土工具与土体之间的作用机制，讨论了６种离散元形状对数值模拟结果的影响，并将实验结果与模拟结果进行
Ｍｅｓｏｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｒｏｃｋｓｐｅｃｉｍｅｎｕｎｄｅｒａｃｔｉｏｎｏｆｉｎｄｅｎｔｅｒ
１２１ＬＩＳｈｏｕｊｕ，ＬＩＤｅ，ＹＵＳｈｅｎ
：１０．１３８００／ｊ．ｃｎｋｉ．ｘａｋｊｄｘｘｂ．２０１６．０６０２文章编号：１６７２－９３１５（２０１６）０６－０７６９－０６㊀㊀㊀㊀ＤＯＩ
压头作用下岩石破碎过程的细观模拟
李守巨１，李㊀德２，于㊀申１
（１．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＡｎａｌｙｓｉｓｆｏｒＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ１１６０２４，Ｃｈｉｎａ；２．ＨａｒｂｉｎＥｌｅｃｔｒｉｃＭａｃｈｉｎｅｒｙＣｏｍｐａｎｙＬｉｍｉｔｅｄ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００，Ｃｈｉｎａ）
７７０
㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀西安科技大学学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０１６年㊀
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｏｃｋｓｐｅｃｉｍｅｎ；ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ；ｐａｒａｍｅｔｅｒｅｖａｌｕａｔｉｏｎ；ｍｅｓｏｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｉｎｄｅｎｔｅｒｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ；ｐａｒａｌｌｅｌｂｏｎｄｍｏｄｅｌ采用实验和数值模拟方法研究了ＴＢＭ滚刀的破岩过程，建立了滚刀贯入深度与贯入力之间的关系，研究了滚刀作用下岩石的剪切破坏问题。从以上相关研究工作中可以看出，采用离散元方法研究土体材料破坏过程所进行的工作较多，而研究岩石材料细观破坏过程的工作相对较少。与此同时，如何较为准确估计岩石材料的细观模型参数是制约离散元方法解决工程实际问题的瓶颈。岩石的力学行为由其内在的细观结构和模型参数决定，尤其是岩石细观裂纹及其演化和发展过程。笔者的目的在于在岩石颗粒尺度上研究压头作用下的岩石破坏过程，揭示岩石破碎漏斗的细观形成机制。
［６］了对比分析。Ｕｃｇｕｌ采用三维离散元模型模拟了［５］［４］［３］［２］［１］
１㊀岩石材料平行粘结模型细观参数估计
岩石是多种矿物和胶结物组成的一种高度不均匀材料，在细观层次上表现在颗粒、粘结物和结构面等力学特性的随机分布特点。颗粒流（ＰａｒｔｉｃｌｅＦｌｏｗＣｏｄｅ）方法是由Ｃｕｎｄａｌｌ和Ｓｔｒａｃｋ提出的模拟球形颗粒运动与相互作用的细观离散元方法。该方法已经应用到岩石、土体和混凝土材料的力学特性研究中，着重从细观力学角度揭示材料的损伤和断裂机理。颗粒接触刚度模型包括线性颗粒接触刚度模型和ＨｅｒｚＭｉｎｄｌｉｎ非线性接触模型等。如图１所示，颗粒接触刚度模型参数包括法向刚度（ｋ）、切向刚度（ｋ）和摩擦系数（ｆ）以及ｎｓ阻尼（）等。Leabharlann Baiduη
２０１６－０５－１０㊀㊀㊀责任编辑：杨泉林收稿日期：基金项目：国家重点基础研究发展计划（２０１５ＣＢ０５７８０４）；国家自然科学基金（１１５７２０７９）；工业装备结构分析国家重点实验室开放基金（Ｓ１４２０６）通讯作者：李守巨（１９６０－），男，辽宁沈阳人，教授，博士，Ｅｍａｉｌ：ｌｉｓｈｏｕｊｕ＠ｄｌｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ