使用颗粒流方法研究单轴压缩条件下石灰岩中的荷载传递机理

使用颗粒流方法研究单轴压缩条件下石灰岩中的荷载传递机理曹诗谈;徐金明

【摘要】The load transfer mechanism in rock is of great importance for investigating the engineering properties of rock materials. The particle flow method was used to simulate the load transfer mechanism in this study. Taking a limestone sample with the size of 50 mm x 50 mm as an example, the particles of rock were characterized with circular discs and the parallel bond model was adopted to simulate the linkages among the particles. Results of the uniaxial compression test indicate that the elastic modulus, peak stress and Poisson's ratio of the specimen are 44. 24 GPa, 101. 05 MPa and 0. 267 , respectively. The force chains larger than the mean contact force were defined as the strong force chains, and the distributions of the strong force chains in the sample were thereafter obtained under the uniaxial compression conditions. The local micro-parameters, such as porosity and coordination number, were also examined. The distributions of the contact forces in the sample under various friction coefficients after reaching peak stress were taken into account. The results show that the strong contact forces were 19. 8 percentages of all forces but took 75 percentages of the strain energy in the sample; the ratios of the normal to shear contact forces were larger than 3. 5 , the normal contact forces dominated all of the stresses in the limestone; the local porosity of the sample after failure varied quite litttle with a decrease of only 0. 002. This paper may be used as references in

investigating the microscopic mechanism of the deformation and failure of rock materials under external load.%研究荷载在岩石中的传递机理对岩石工程性质研究具有重要意义.本文以石灰岩试样为例,使用颗粒流方法来研究这一传递机理.研究试样大小为50 mm×50 mm,岩石成分使用圆盘颗粒集合体来表征,颗粒间的接触模型采用平行连接模型,岩石的弹性模量、峰值应力和泊松比分别为44.24 GPa、101.05 MPa和0.267；将大于平均接触力的力链作为强力链,得到了外部荷载下试样中的强力链分布情况,研究了试样局部孔隙率、配位数等细观参数对接触力大小的影响,探讨了颗粒摩擦系数不同时外荷达到峰值应力后颗粒的接触力分布情况.结果表明,在全部颗粒接触点中,只有19.8％接触点的接触力大于平均接触力,但这些接触点应变能却占总应变能的75％；当法向接触力与切向接触力比值大于3.5时,试样峰后应力主要由法向接触力控制；与样品破坏前相比,破坏后样品中的局部孔隙率变化不大,只减少了0.002.

【期刊名称】《水文地质工程地质》

【年(卷),期】2012(039)006

【总页数】5页(P57-61)

【关键词】石灰岩;荷载传递;应力分布;细观参数

【作者】曹诗谈;徐金明

【作者单位】上海大学土木工程系,上海200072;上海大学土木工程系,上海200072

【正文语种】中文

【中图分类】TU458+.3

颗粒流方法是一种离散元法，可以用于分析不连续材料的变形破坏过程。这一方法中，岩石颗粒通常使用圆盘来表征，模拟过程通常使用二维颗粒流程序

PFC2D(Particle Flow Code in 2-dimension，PFC2D)来实现［1］。近年来，一些学者使用颗粒流方法对岩石变形过程进行了研究。

毕忠伟等［2］用PFC2D模拟了双轴压缩条件下颗粒流体系中剪切带的形成和演

变过程;韩永臣［3］通过建立三维不规则模型模拟了岩石材料的脆性破裂过程;谢

和平等［4］从细观角度研究了岩体单元能量耗散与岩体单元损伤的关系、岩体单元内可释放应变能与岩体单元破坏的关系;展国伟等［5］使用岩石破裂过程分析系统对不同界面模型进行了数值模拟;孙其诚等［6］从接触力、能量分布和接触网络结构特点出发，提出了强力链的判定标准;Goldenberg等［7］使用不同模型来表征不同尺度的颗粒体系并分析了颗粒体系中的应力分布;Tordesillas等［8］使用

复杂网络方法研究了密集颗粒体系力链结构的演化特征;Mueth等［9］分析了单

轴压缩下法向接触力分布与试样试验阶段和边界条件的关系;Alison等［10］用离散元方法模拟了颗粒材料内部接触力与力链结构的分布特点;Potyondy等［11］

模拟了压缩荷载作用下闪长岩中空洞附近的损伤分布情况;Besuelle等［12］使用三轴试验研究了多孔砂岩内的局部化特征;Diederichs等［13］使用离散元数值模拟得到了旋转压力情况下硬岩表面裂纹的萌生发展情况。

虽然岩石变形破坏过程反映了外部荷载在岩石中的传递情况，但直接将岩石颗粒作为研究对象来探讨这一传递机理的成果还不多。本文拟采用PFC2D来模拟石灰岩室内单轴压缩试验，分析不同外部荷载作用下试样中的接触力大小、力链分布、孔隙率和配位数等细观参数的变化情况，研究外部荷载在试样中的传递特点。

本次研究使用二维颗粒流代码PFC2D研究单轴压缩下石灰岩中的荷载传递机理。细观参数和宏观参数按照徐金明等［14］的方法进行设置。试验模拟参数见表1。根据表1得到单轴压缩条件下的石灰岩模型(图1)。图1中共有9 447个颗粒。