岩石破裂过程分析系统并行计算方法研究_张永彬
研究地震和岩石破裂现象的非线性科学方法
研究地震和岩石破裂现象的非线性科学方法
郑捷
【期刊名称】《地球物理学进展》
【年(卷),期】1992()1
【摘要】本文以地震孕育和岩石破裂过程的阶段(包括裂纹系形成、变形局部化和断层形成、断层活动和松弛)为线索,阐述了非线性科学方法(包括分形几何学,自组织临界现象和混沌动力学)的应用,提出了地震孕育过程和岩石破裂各阶段的普适性特征、机理和要着重研究的课题.
【总页数】16页(P20-35)
【关键词】地震;破裂;非线性科学;分形;自组织;混沌
【作者】郑捷
【作者单位】国家地震局地球物理研究所
【正文语种】中文
【中图分类】P3
【相关文献】
1.试论岩石破裂和破坏的差异对地震模拟及前兆研究的影响 [J], 许昭永;王彬;胡毅力;杨润海
2.地震序列类型的岩石破裂实验研究 [J], 李正光;杨润海;赵晋明;胡毅力;许昭永
3.导致脆性岩石破裂和地震波速变化的数值研究 [J],
J．F．Hazzard;R．P．Young;邢秀芬;李世愚
4.基于高温高压岩石破裂实验结果对中强地震前震中附近区域部分地震学现象的初步解释 [J], 蒋海昆;张流;周永胜;侯海峰;晁文海
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岩石动态剥落破裂的数值模拟
岩石动态剥落破裂的数值模拟引言岩石动态剥落破裂是地质灾害中的一种严重类型，其产生的原因多样，如地震、爆炸、水力冲击等。
对于这种问题，数值模拟方法已被广泛应用于地质工程领域，以预测和评估岩石动态破裂过程的破坏性和具体效果，以及结构的稳定性和保护性能。
本文将介绍目前常用的岩石动态破裂数值模拟方法，包括有限元法和离散元法，并分析其优劣和应用范围。
一、有限元法有限元法是解决结构力学中的问题的常用方法，包括岩石动态破裂模拟。
其基本思想是将复杂的结构分解成若干个小元素，并对每个小元素进行简化模型假设，利用数值方法对每个小元素进行求解，最后将结果组合得到全局结构的反应。
在岩石动态破裂模拟中，将峰值强度、应力波传播、岩石内损伤等问题转化为有限元数值求解问题，可大幅简化问题的求解过程。
有限元法在岩石动态破裂模拟中的应用主要涉及到以下几个方面：1、破裂过程的数值模拟：破裂过程的分析对于预测和评估破坏的具体情况至关重要，有限元法能够对破裂过程进行数值模拟；2、弹性介质中应力波传播的数值模拟：应力波传播的速度、频率对于岩石破裂具有重要影响，有限元法可以计算弹性介质中应力波传播的特征及其影响；3、岩石内部损伤行为的数值模拟：岩石内部微观结构的变化对于破裂行为的发生有着直接的影响，有限元法可以模拟并计算微观尺度上的变化。
有限元法的优点在于：1、求解过程简便快捷；2、可对各种不同类型和形状的结构进行模拟；3、适用于各种不同工况下的模拟。
其缺点在于：1、仅适用于小小尺度下，如旋转对称或轴对称问题的处理等；2、计算机资源投入较大，对于大规模结构的处理难度较大；3、需要对于每个小元素进行较好的建模。
二、离散元法离散元法是一种分子动力学模型，其首要任务是模拟模型中各种物质颗粒在自然环境下的运动行为，其模型假设是颗粒物的弹性和摩擦不存在。
离散元法最初被应用于地质动力学的问题中，由于其适用范围广、计算速度快、能够对多种不同类型的物体进行建模等优点，迅速成为岩石动态破裂模拟中最常用的方法之一。
06 热应力作用下的岩石破裂过程分析
第25卷第10期岩石力学与工程学报V ol.25 No.10 2006年10月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct.，2006热应力作用下的岩石破裂过程分析唐世斌1，唐春安1，2，朱万成3，王述红3，于庆磊3(1. 大连理工大学土木水利学院，辽宁大连 116024；2. 大连大学材料破坏力学数值试验研究中心，辽宁大连 116622；3. 东北大学岩石破裂与失稳中心，辽宁沈阳 110004)摘要：热应力引起的岩石破裂称为岩石的热破裂，它是热和力之间相互耦合作用的结果。
岩石热破裂研究的工程意义重大。
根据岩体介质变形及其热力学的理论基础，充分考虑岩石的非均匀性和热固耦合作用，在原有的岩石破裂过程分析系统的基础上，建立了具有热固耦合作用的岩石热破裂分析模型。
数值模型再现岩石的热破裂过程，并反映岩石热破裂的规律。
运用数值模型，对含有单个内嵌颗粒的岩石试件在温度变化过程中的热开裂进行了数值模拟。
研究结果表明：在温度升高过程中，如果内嵌颗粒的热膨胀系数大于基质的热膨胀系数，在基质内产生径向裂纹；如果内嵌颗粒的热膨胀系数小于基质热膨胀系数，便在基质内产生环向裂纹。
数值模拟结果与试验结果有较好的一致性。
RFPA2D-thermal模型为从细观力学角度上分析岩石的热破裂过程和机制提供了一种新的方法。
关键词：岩石力学；热应力；非均匀性；数值模拟；热开裂中图分类号：TU 45；O 241 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)10–2071–08 NUMERICAL INVESTIGATION ON ROCK FAILURE PROCESS INDUCEDBY THERMAL STRESSTANG Shibin1，TANG Chun′an1，2，ZHU Wancheng3，WANG Shuhong3，YU Qinglei3(1. School of Civil and Hydraulic Engineering，Dalian University of Technology，Dalian，Liaoning116024，China；2. Research Center for Numerical Tests on Material Failure，Dalian University，Dalian，Liaoning116622，China；3. Center for Rock Instability and Seismicity Research，Northeastern University，Shenyang，Liaoning110004，China)Abstract： Rock failure induced by thermal stress is called thermal cracking. It is the result of thermal and mechanical coupling. Based on the basic theory of rock deformation and thermodynamics，considering the heterogeneity and the coupling of thermal and mechanics，a numerical model，RFPA2D-thermal code，is proposed. With this model，the temperature and stress fields can be determined. The most important is that the failure process of rock induced by thermal or external stress can be simulated. Using this numerical model，the failure progresses of a rock sample with an inlaid grain was modelled during the change of temperature. It turns out that during temperature increment，if the thermal expansion coefficient of the inlaid grain is larger than that of the surrounding media，radial-cracks will be generated in the surrounding media，and theta-cracks emerge if the thermal expansion coefficient of inlaid grain is smaller than that of the surrounding media. The results agree well with the experimental results. The RFPA2D-thermal model provides a new method for analyzing the thermal cracking of rock samples in microscopic view.Key words：rock mechanics；thermal stress；heterogeneity；numerical simulation；thermal cracking收稿日期：2005–07–20；修回日期：2005–11–11基金项目：国家自然科学基金资助项目(50504003)作者简介：唐世斌(1980–)，男，2003年毕业于东北大学采矿工程专业，现为博士研究生，主要从事热应力作用下的岩石破裂数值分析方面的研究工作。
岩石破裂过程分析系统并行计算方法研究_张永彬
第25卷第9期岩石力学与工程学报V ol.25 No.9 2006年9月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Sept.，2006 岩石破裂过程分析系统并行计算方法研究张永彬1，2，唐春安2，3，梁正召3，徐涛2，李连崇1(1. 东北大学岩石破裂与失稳研究中心，辽宁沈阳 110004；2. 大连大学材料破坏力学数值试验研究中心，辽宁大连 116622；3. 大连理工大学土木水利学院，辽宁大连 116024)摘要：岩石工程灾害与岩石破裂过程失稳密切相关。
大型岩石工程破裂过程数值分析需要高效、准确、强大的计算能力支持。
一般传统串行计算方法难以满足要求，大规模并行计算是解决这一难题的有效途径。
岩石破裂过程分析系统是研究岩石破裂过程的一个重要数值分析工具。
在岩石破裂过程分析系统串行单机版的基础上，结合现代有限元方法和数值计算方法，在消息传递并行环境下，利用区域分解和主从编程模式，采用分布存储稀疏线性迭代并行求解方法，在Linux机群上实现应力分析模块中有限元计算的并行处理。
通过Windows和Linux协调处理策略，有效地把原有的前后处理功能和机群系统强大的计算能力结合起来，建立岩石破裂过程分析RFPA3D-Parallel并行分析系统。
算例结果表明，并行程序具有很高的加速比和并行效率，能够快速完成三维条件下300万单元的大规模岩石破裂过程分析。
应用RFPA3D-Parallel并行分析系统模拟地壳介质中广泛存在的龟裂现象，再现非均匀介质破坏和裂纹演化过程，从而显示该系统广泛的应用前景。
关键词：岩石力学；岩石破裂过程；大规模；并行计算；区域分解；消息传递界面中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)09–1795–07RESEARCH ON PARALLEL COMPUTATIONAL METHOD OFROCK FAILURE PROCESS ANALYSIS SYSTEMZHANG Yongbin1，2，TANG Chun′an2，3，LIANG Zhengzhao3，XU Tao2，LI Lianchong1(1. Center for Rock Instability and Seismicity Research，Northeastern University，Shenyang，Liaoning110004，China；2. Research Center for Numerical Tests on Material Failure，Dalian University，Dalian，Liaoning116622，China；3. School of Civil and Hydraulic Engineering，Dalian University of Technology，Dalian，Liaoning116024，China)Abstract：Rock engineering hazards are closely related to unstable failure of rocks. Numerical analysis of rock failure process of large-scale rock engineering needs effective，accurate and powerful computation，while traditional serial computation becomes incapable to solve these large-scale rock failure problems；and it is necessary to employ large-scale parallel computation technology. Rock failure process analysis(RFPA) code is one of the important numerical tools that can be used to investigate rock failure process. Based on the serial code of RFPA3D，a parallel computation model of rock failure process analysis is proplsed. We complete parallel stress analysis module of RFPA3D using finite element method on a cluster and integrate it with pre-processing and post-processing of RFPA3D installed on windows pc. The parallel program is performed using a distributed memory sparse linear iterative solver with preconditioning based on MPI(message passing interface). The linear收稿日期：2005–07–05；修回日期：2005–09–27基金项目：国家自然科学基金资助项目(50374020，50490274，50504003，5047017)；中国教育科研网格计划项目(ChinaGrid)作者简介：张永彬(1979–)，男，2002年毕业于东北大学采矿工程专业，现为博士研究生，主要从事岩石力学数值计算方面的研究工作。
基于RFPA-3D含裂隙矿体破裂扩展数值模拟研究
世界有色金属 2023年 10月上10C omputer automation计算机自动化基于RFPA-3D 含裂隙矿体破裂扩展数值模拟研究邵陆航（首钢滦南马城矿业有限责任公司，河北 唐山 ０６３５００）摘 要：为了深入探究不同参数条件下含裂隙矿体的力学特性及破裂扩展路径、破坏模式及破裂扩展规律，借助ＲＦＰＡ－３Ｄ真实数值模拟仿真软件开展了３种不同长度预制裂隙及５种不同角度下的单轴压缩数值模拟试验。
结果表明：①随着裂隙长度增大，模型试样峰值应力逐渐降低；随着裂隙倾角增大，模型试样峰值应力出现“Ｖ”字型变化规律；当裂隙倾角为６０°时，模型试样峰值应力最低。
②张拉应力是引起模型试样裂隙尖端产生起裂的主要因素，剪切应力是造成裂隙横向扩展并形成破碎区的主要原因。
③０°~３０°模型试样以张拉劈裂破坏为主，４５°~６０°模型以剪切破坏为主，９０°模型试样呈现出明显的剪切－张拉组合破坏。
关键词：破裂演化特征；裂隙矿体；非均质性；力学特性中图分类号：ＴＤ３２７．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－５０６５（２０２３）１９－００１０－３Numerical simulation of fracture propagation of magnetite containing cracks based on RFPA-3DSHAO Lu-hang（Ｌｕａｎｎａｎ Ｍａｃｈｅｎｇ Ｍｉｎｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．， Ｓｈｏｕｇａｎｇ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ． ，Ｌｔｄ．， Ｔａｎｇｓｈａｎ ０６３５００，Ｃｈｉｎａ） Abstract: Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｄｅｅｐｌｙ ｅｘｐｌｏｒｅ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ， ｆｒａｃｔｕｒｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｐａｔｈ， ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅ， ａｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｔｅ ｗｉｔｈ ｃｒａｃｋｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ， ｔｈｒｅｅ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｃｒａｃｋｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｅｎｇｔｈｓ ａｎｄ ｆｉｖｅ ｕｎｉａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｓｔｓ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｎｇｌｅｓ ｗｅｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ＲＦＰＡ－３Ｄ ｒｅａｌ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ： ① ａｓ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｌｅｎｇｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ， ｔｈｅ ｐｅａｋ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ； Ａｓ ｔｈｅ ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ， ｔｈｅ ｐｅａｋ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｓａｍｐｌｅ ｅｘｈｉｂｉｔｓ ａ ＂Ｖ＂ ｓｈａｐｅｄ ｃｈａｎｇｅ ｐａｔｔｅｒｎ； Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｉｓ ６０°， ｔｈｅ ｐｅａｋ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｓａｍｐｌｅ ｉｓ ｔｈｅ ｌｏｗｅｓｔ． ② Ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ｉｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒ ｃａｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｒａｃｋｓ ａｔ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｔｉｐ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｓｐｅｃｉｍｅｎ， ｗｈｉｌｅ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｓｓ ｉｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒｅａｓｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｌａｔｅｒａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｏｆ ｃｒａｃｋｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｚｏｎｅｓ． ③ Ｔｈｅ ０°~３０° ｍｏｄｅｌ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｍａｉｎｌｙ ｅｘｈｉｂｉｔ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｆａｉｌｕｒｅ， ｔｈｅ ４５°~６０° ｍｏｄｅｌ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｅｘｈｉｂｉｔ ｓｈｅａｒ ｆａｉｌｕｒｅ， ａｎｄ ｔｈｅ ９０° ｍｏｄｅｌ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｅｘｈｉｂｉｔ ｏｂｖｉｏｕｓ ｓｈｅａｒ ｔｅｎｓｉｌｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｆａｉｌｕｒｅ．Keywords: Ｉｒｏｎ ｔａｉｌｉｎｇｓ；Ｆｉｓｓｕｒｅ ｍａｇｎｅｔｉｔｅ；Ｍｉｘｉｎｇ ａｎｄ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｔｉｍｅ；Ｐｒｅｓｓｕｒｅ－ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ收稿日期：２０２３－０８作者简介：邵陆航，男，生于１９９２年，汉族，河北石家庄人，硕士研究生，矿山地质与选矿助理工程师，研究方向：矿山开采设计工作。
第九章 岩石力学的数值模拟分析
Betti互等 定理
解方程组
边界上划分单元
同上
离散单元 法
牛顿运动 定律
显式差分
按结构弱面分布特 征划分单元
岩石中硬以上，低应力水平， 大变形，岩体沿弱面发生非连
续性破坏
非连续变 形法
数值流形 法
拉各朗日 元法
最小势能 原理
最小势能 原理
牛顿运动 定律
解方程组
按主要结构弱面实 际情况划分单元
解方程组 全区域划分单元
在上面4种并行机中，COW和MPP具有类似的地方， 实际上，当前MPP和COW之间的界限正在逐渐模 糊。例如IBM SP格比远优于MPP，系统扩 充方便，网络连接形式多种多样，所以COW是发 展可扩放并行计算的主流趋势。
并行算法及并行程序开发 并行算法是区别于串行算法的另外一大类型的算法，它是适合于 各种并行计算机上求解问题和处理数据的算法。并行程序开发是 对给定算法构造并行程序的活动，它要求算法设计者和计算机系 统的体系结构的设计者进行广泛的交互。
并行程序的设计不仅编程困难，而且调试和分析更加困难。目前， 并行程序设计在各方面都处于一个初级阶段，它不支持一个成熟、 稳定和通用的并行程序开发环境。并行开发环境指的是软件环境， 它对并行计算的影响比一般串行机要大得多。软件对计算性能的 影响的差别可达几个数量级。并行开发环境包括两部分内容：操 作系统、通信平台、编译和调试工具以及性能测试软件等。其中 最主要的是操作系统和通信平台。可以用于并行计算的操作系统 主要有Windows（NT或者2000）和Unix，其中与Unix内核基 本相同的自由软件Linux在并行计算中占优绝对的统治地位，而 比较流行的通信平台有P4、PVM、Express、PARMACS和MPI 等。
关于强度折减法安全系数分类的探究
等缺陷会首先达到极限平衡状态，而对于整个模型却没有达到整体极限平衡。 从岩土工程力学破坏属性分类，安全系数可分为剪切安全系数、拉伸安全系数和拉剪综
岩体破坏都是一个渐进破坏诱致失稳的演化过程，而不是一个毫无前兆的突然失稳过程。因此在
岩土体达到整体失稳破坏之前，会有一些局部的破坏，此时计算得到的安全系数称为局部安全系 数。这些破坏过程是随着岩土体结构的不同而有所差别，有的结构稳定性好可能在局部破坏的同
时又连续破坏直至整体失稳破坏，此时计算得到的安全系数称为整体安全系数。而对于地下洞室
Ｃａｌｌ
ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｌｏｃａｌ ｓａｆｅｔｙ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ
ｔＯ
ｓｅｐａｒａｔｅｌｙ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ
ｉｎｔｏ
ｔｈｅ
ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｒｃｅｓ
ｓａｆｅｔｙ
ｏｎ
ｔｈｅ
ｏｂｊｅｃｔ，ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ
ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
合安全系数。地下洞室的破坏形式存在两种：一种是受剪破坏，一般的洞室岩体的破坏形式 属于受剪破坏；另一种是受拉破坏，主要是松散破碎岩体，尤其是洞室顶较平缓时拱顶可能 出现拉裂破坏而垮塌。而在实践中，洞室失稳破坏既有剪切破坏又有拉伸破坏，这种破坏存 在于大多数地下工程中，对于不同的结构可能受剪切，受拉伸的作用力大小不同。当拉伸破
是边坡失稳破坏的标志。
本文提出一个新的失稳判别方法，即采用折减计算步中出现单元破坏数最多时的时刻作 为岩体失稳的临界点。这种方法，更易于判别失稳的临界状态，操作简便。即把所有计算步 骤统计成如图３所示的图形，横轴是计算步骤，纵轴是每步破坏的单元数目。破坏单元多说
爆炸荷载作用下岩石动态裂纹扩展的数值模拟
爆炸荷载作用下岩石动态裂纹扩展的数值模拟钟波波;李宏;张永彬【期刊名称】《爆炸与冲击》【年(卷),期】2016(036)006【摘要】运用岩石破裂过程分析软件RFPA-dynamic,就爆炸荷载的加载速率、炮孔到自由边界的距离以及两炮孔中间空孔的大小对动态裂纹扩展方式的影响进行了研究.结果表明:随着加载速率的减小,炮孔周围的破碎区逐渐减少;裂纹开始萌生的位置逐渐由破碎区外边缘向炮孔孔壁转移;萌生的分支小裂纹逐渐减少,主裂纹扩展长度逐渐增大.由于自由边界的影响,炮孔向下扩展的裂纹逐渐弯向水平方向,且炮孔到自由边界的距离越小,这种趋势越明显.由于空孔的导向作用,使靠近空孔的裂纹逐渐弯曲向空孔处扩展,同时在空孔孔壁两端产生一条向炮孔扩展的裂纹;空孔半径大小对裂纹的导向作用,并无明显的影响;材料的非均匀性,对裂纹的扩展方式有显著的影响.【总页数】7页(P825-831)【作者】钟波波;李宏;张永彬【作者单位】大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连 116024;大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连 116024;大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连 116024【正文语种】中文【中图分类】O346.1【相关文献】1.线性聚能射流作用下岩石裂纹扩展数值模拟 [J], 刘燕燕;杨军;徐振洋2.爆破荷载作用下岩石裂纹扩展研究 [J], 张立3.爆炸荷载作用下两平行裂纹对扩展中裂纹的影响规律 [J], 万端莹; 朱哲明; 刘瑞峰; 刘邦4.半圆弯拉下岩石内裂纹扩展规律数值模拟研究 [J], 张志韬; 顾浩; 王海军; 汤雷; 刘鑫娜; 戚海棠5.爆炸荷载作用下青砂岩Ⅰ型裂纹动态扩展规律及动态断裂参数研究 [J], 李剑飞;朱哲明;万端莹;刘瑞峰因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
《2024年三维条件下的岩石破裂过程分析及其数值试验方法研究》范文
《三维条件下的岩石破裂过程分析及其数值试验方法研究》篇一一、引言岩石破裂过程是地质学、岩土工程学等领域的重要研究内容。
随着科技的发展，三维条件下的岩石破裂过程分析及其数值试验方法研究逐渐成为研究热点。
本文旨在探讨三维条件下的岩石破裂过程，并对其数值试验方法进行研究，以期为相关领域的研究提供参考。
二、岩石破裂的基本理论岩石破裂是指岩石在受到外力作用时，内部应力超过其承受极限，导致岩石结构破坏的现象。
岩石的破裂过程受到多种因素的影响，如岩石的物理性质、地质构造、应力状态等。
在三维条件下，岩石的破裂过程更为复杂，需要考虑多方向应力、温度、湿度等因素的影响。
三、三维条件下的岩石破裂过程分析1. 理论模型：在三维条件下，岩石的破裂过程可以通过建立理论模型进行分析。
常用的模型包括弹性力学模型、塑性力学模型、断裂力学模型等。
这些模型可以描述岩石在不同条件下的应力、应变及破裂过程。
2. 数值模拟：通过数值模拟方法，可以更直观地了解岩石的破裂过程。
常用的数值模拟方法包括有限元法、离散元法、边界元法等。
这些方法可以模拟岩石在不同条件下的应力分布、裂纹扩展及最终破裂形态。
3. 实验观察：通过实验观察，可以更深入地了解岩石的破裂过程。
实验方法包括光学显微镜观察、电子显微镜观察、声发射监测等。
这些方法可以观察岩石的微观结构变化、裂纹扩展及破裂模式。
四、数值试验方法研究1. 有限元法：有限元法是一种常用的数值试验方法，通过将岩石划分为有限个单元，求解每个单元的应力、应变及位移等参数，从而分析岩石的破裂过程。
该方法可以处理复杂的几何形状和边界条件，但需要较高的计算成本。
2. 离散元法：离散元法是一种基于刚性块体运动的数值试验方法，适用于模拟岩体的不连续性。
该方法通过考虑块体间的接触和相互作用，模拟岩体的破裂过程。
其优点是可以处理大变形和失稳问题，但需要较细致的模型构建。
3. 结合实际：在实际应用中，可以根据研究目的和岩石性质选择合适的数值试验方法。
岩石破裂全程数字化细观损伤力学试验研究
第30卷第11期 岩 土 力 学 V ol.30 No. 11 2009年11月 Rock and Soil Mechanics Nov. 2009收稿日期：2008-05-29基金项目：国家自然科学基金项目（No. 50674040）；江苏省研究生培养创新工程项目（No. CX07B_128z ）；国家自然科学基金、二滩水电开发有限责任公司雅砻江水电开发联合研究基金重点项目（No. 50539090）。
第一作者简介：倪骁慧，男，1979年生，博士研究生，主要从事岩石力学方面的工作。
E-mail: nxh2004@文章编号：1000－7598 (2009) 11－3283－08岩石破裂全程数字化细观损伤力学试验研究倪骁慧1, 2，朱珍德1, 2，赵 杰1, 2，李道伟1, 2，冯夏庭3（1. 河海大学 岩土工程科学研究所，南京 210098；2. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098；3. 中国科学院武汉岩土力学研究所，武汉 430071）摘 要：设计基于扫描电镜（SEM ）的岩石破裂全过程数字化细观损伤力学试验方案，实现了岩石破裂全过程的显微与宏观实时的数字化监测、控制、记录及分析的岩石力学试验。
应用于四川锦屏大理岩预制裂纹试样中进行单轴压缩破坏全程的数字化试验，对微裂纹的萌生、生长及贯通过程进行数字化定量分析，得到试样在受荷过程中微裂纹的面积、方位角、长度、宽度和周长基本几何数据，从宏细观角度描述了岩石试样单轴压缩过程中的破坏机制，并分析得出试样单轴受压破坏过程中虽然微裂纹在某些区域集中，但在整个试样中微裂纹的统计分布依然是服从某一指数分布的这一结论。
试验研究结果证明了该试验方案的科学性和先进性。
关 键 词：细观力学；岩石破裂全过程；数字化细观损伤力学试验方案；SEM 图像处理程序 中图分类号：TU 458 文献标识码：AMeso-damage mechanical digitalization test of complete process of rock failureNI Xiao-hui 1, 2，ZHU Zhen-de 1, 2，ZHAO Jie 1, 2，LI Dao-wei 1, 2，FENG Xia-ting 3（1. Geotechnical Research Institute, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. Key Laboratory of Ministry of Education for Goemechanics and EmbankmentEngineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 3. Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China ）Abstract: A new meso-mechanical testing scheme based on SEM is developed to carry out the experiment of microfracturing process of rocks. The image of microfracturing process of the specimen can be observed and recorded digitally. The microfracturing process of Jinping marble specimen in Sichuan province under uniaxial compression is recorded by using the testing scheme. Quantitatively investigated the propagation and coalescent of cracks at meso-scale with digital technology, the basic geometric information of rock microcracks such as area, angle, length, width, perimeter, are obtained from binary images after segmentation. The failure mechanism of specimen under uniaxial compression with the quantitative information is studied from macro/micro scopic perspective. The result shows that during the damage of the specimen the distribution of microcracks in the whole specimen are still subjected to exponential distribution with some microcracks concentrated in certain regions. The conclusion indicates that the testing scheme is applicable. Key words: micromechanics; complete process of rock failure; digital micromechanics testing scheme; SEM image processing program1 引 言材料细观结构演化导致宏观力学行为改变一直是固体力学和材料科学研究的热点。
岩石损伤断裂相场模型及隧道开挖损伤区应用研究
岩石损伤断裂相场模型及隧道开挖损伤区应用研究岩石损伤断裂相场模型及隧道开挖损伤区应用研究近年来，隧道工程在城市建设和交通发展中发挥着越来越重要的作用。
然而，在隧道开挖过程中，岩石的损伤与破坏问题一直是制约工程质量和安全的重要因素。
为了更好地理解和控制岩石的损伤与破坏，岩石损伤断裂相场模型及隧道开挖损伤区应用研究成为当前隧道工程领域的热点问题。
一、岩石损伤断裂相场模型1. 岩石力学性质岩石是一种具有复杂结构和性质的地质体，其力学性质表现出非线性、非弹性和非均质等特点。
为了描述岩石的力学行为，科学家们逐渐建立了不同的力学模型，其中判断裂相场模型成为研究岩石损伤和破坏的重要工具。
2. 判断裂相场模型介绍判断裂相场模型是一种基于连续介质力学和断裂力学原理的数值模拟方法，适用于描述岩石损伤、破坏和裂纹扩展等现象。
该模型将岩石看作是一个连续的相场系统，在岩石内部存在着复杂的微裂纹网络，通过相场变量来描述裂纹的形成和演化过程，并结合能量耗散函数来描述裂纹扩展的物理过程。
3. 模型在岩石工程中的应用判断裂相场模型在岩石工程中的应用主要包括岩石损伤和破坏的数值模拟、岩石力学参数的反演和优化设计等方面。
通过模拟岩石开挖过程中的损伤演化，可以为工程设计提供可靠的参考依据，降低工程风险和成本。
二、隧道开挖损伤区应用研究1. 隧道开挖引起的岩石损伤隧道开挖过程中，地下岩体会受到巨大的应力和变形，从而引起损伤和破坏。
特别是在岩体中存在构造面、节理、脆性岩层等情况下，岩石的损伤程度更加严重。
2. 损伤区范围与控制隧道开挖损伤区是指岩石在开挖过程中受到破坏和损伤的区域，其范围与控制对于隧道工程的安全和稳定至关重要。
利用判断裂相场模型对隧道开挖损伤区进行数值模拟和分析，可以有效预测损伤区范围、形态和变形特征，为设计和施工提供科学依据。
3. 工程实例分析通过对某一具体隧道工程开挖损伤区的实际研究和分析，可以验证判断裂相场模型在现实工程中的适用性和有效性。
岩石动态加载下的破裂韧性试验研究与数据处理
岩石动态加载下的破裂韧性试验研究与数据处理在岩石工程领域中，破裂韧性是评价岩石材料强度和脆性的重要指标之一。
本文探讨了岩石在动态加载条件下的破裂韧性试验研究和数据处理方法。
通过合适的试验装置和实验方法，可以获取岩石在不同动态加载下的破裂韧性参数，为岩石工程设计提供准确可靠的数据支持。
一、实验装置与方法岩石动态加载试验通常采用冲击加载方式，常见的设备有冲击压力机、离心机等。
本文选择了冲击压力机进行试验，其主要构造包括冲击器、加载系统和测量系统。
试验方法主要包括斗击压缩试验和动态三点弯曲试验。
斗击压缩试验中，选定一块具有典型韧性特性的岩石样本，放置在试验机底板上。
冲击器从上方快速下落，对样本进行冲击加载，测量冲击力与位移的变化，并记录数据。
动态三点弯曲试验中，选取另一块岩石样本，将其固定在两个支撑点之间，冲击器施加冲击力进行加载，测量岩石样本的挠度与冲击力的变化，并记录数据。
二、数据处理方法试验过程中获得的数据需要进行合理的处理，以获得岩石在动态加载下的破裂韧性参数。
1. 数据统计与分析首先，对试验获得的原始数据进行统计和分析。
计算冲击力与位移或挠度的关系，绘制相应的曲线图，进而研究岩石在加载过程中的变形和破裂特点。
2. 破裂韧性参数计算在数据统计和分析的基础上，可以计算岩石的破裂韧性参数。
常见的参数包括冲击能量吸收能力、塑性变形能力、峰值加载力等。
根据试验曲线的特征，通过合适的公式计算这些参数值。
3. 结果验证与模型拟合为了验证实验结果的准确性，将试验数据与数学模型进行对比和拟合。
选取适当的数学模型，将实验数据输入模型，比较模型计算结果与试验数据，评估模型的适用性和准确性。
三、结果及讨论通过实验和数据处理，可以得到岩石在动态加载下的破裂韧性参数。
根据试验结果，可以评估不同岩石材料的强度和脆性特性，为岩石工程设计提供依据。
此外，本文提出的试验方法和数据处理方法还可以应用于其他材料的破裂韧性研究中。
不同材料具有不同的破裂机理和破裂特点，通过类似的实验和数据处理方法，可以获得这些材料在动态加载下的相关参数。
岩石破裂全过程分析软件系统RFPA_2D_
第16卷 第5期岩石力学与工程学报16(5):507～508 1997年10月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct.,1997岩石破裂全过程分析软件系统RFPA2D唐春安 赵 文(东北大学岩石破裂与失稳研究中心 沈阳 110006)数值计算已被学术界和工程界广泛接受作为一种力学状态的分析工具,用于岩石力学数值计算的有限元、边界元、离散元、刚体元、流形元、有限差分等数值计算方法,促进了岩石力学学科的发展,使复杂岩土工程的分析与设计发生根本性的变化。
但是,目前大多数方法仍然只能处理连续介质力学问题,即使一些非连续介质力学方法(如块体理论)也难以考虑岩石从细观破裂到宏观破裂的过程。
对岩石介质而言,模拟基于细观分析的岩石宏观变形、损伤、局部化直至破坏和失稳的过程,研究其与滑坡、地震、岩爆等非稳定现象有关的数值计算方法仍然是一个难题。
由东北大学岩石破裂与失稳研究中心开发的岩石破裂全过程分析系统RFPA2D基于有限元理论和全新的材料破裂过程算法思想,它通过考虑材料的非均匀性来模拟材料的非线性,通过单元的弱化来模拟材料变形、破坏的非连续行为,可用于研究岩石(岩体)材料从细观损伤到宏观破坏的全部过程。
RFPA2D可以计算并动态演示材料从受载到破裂的完整过程,整个系统具有较强的开放性和可扩展性。
RFPA2D具有以下功能:(1)模拟岩石的破裂过程,特别适宜于研究由局部破坏过程引起的应力重新分布对进一步变形和破坏过程的影响;(2)模拟岩石破裂过程的声发射规律,从而研究岩石破裂过程的声发射频度与震级关系以及岩石失稳破坏的前兆特征;(3)通过嵌入的韦伯分布、正态分布等各种统计分布函数,考虑材料力学参数(强度、弹模等)的非均匀性分布特征,从而可以从本质上研究岩石变形的非线性特征;(4)可以考虑微观缺陷,也可以考虑节理、裂隙等宏观缺陷;(5)可以模拟加载引起的破裂过程,也可以模拟自重引起的破坏过程;(6)可以模拟巷道开挖及其破坏过程、矿柱破坏过程、边坡的滑移破坏过程、地表沉陷、采动影响,以及煤岩顶板冒落等。
单齿对各向异性地层破岩机理
Master’s Thesis2010年4月图书分类号： TE2 学校代码： 10615 论文题目单齿对各向异性地 层破岩机理研究 研究生姓名沙 磊 导师姓名练章华（教授） 学科专业油气井工程 研究方向油气井工程力学西南石油大学研究生学位论文知识产权声明书及学位论文版权使用授权书本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西南石油大学。
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本人允许论文被查阅和借阅。
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同时，本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西南石油大学。
本学位论文属于1、保密（ ），在 年解密后适用本授权书。
2、不保密（ ）（请在以上相应括号内打“√”）学位论文作者签名： 指导教师签名：年 月 日 年 月 日西南石油大学研究生学位论文独创性声明本人声明：所呈交的研究生学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含其他人为获得西南石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
学位论文作者签名：年 月 日摘 要本论文是在国家“十一.五”重大专项课题“气体钻井关键工艺理论”（NO.2008ZX05022-005-004HZ）的资助下完成的，本论文属于该项目的部分内容。
钻头牙齿破岩机理研究是长期以来一直在进行的研究工作之一，但是以前的研究主要针对地层为各向同性岩石基本假设的条件下进行的，为了更准确和更完善地研究钻头牙齿在不同钻井情况（气体钻井或泥浆钻井）下的破岩机理，因此本文提出了建立单齿与各向异性地层，不同倾角本构关系的数学-力学模型，根据岩石的弹塑性应力-应变本构关系建立岩石破坏的各种准则，然后借助于现有成熟的有限元软件并对其进行二次开发来研究单齿与各向异性地层岩石的破坏机理，以便得出有指导意义的结果。
地震序列类型的岩石破裂实验研究
地震序列类型的岩石破裂实验研究李正光;杨润海;赵晋明;胡毅力;许昭永【期刊名称】《地震研究》【年(卷),期】2005(28)4【摘要】采用花岗岩和砂岩拼合的岩样,做单面直接剪切破坏实验,并以微破裂信息存储分析系统连续采集信号.通过波形图研究发现,诸如"前破-主破-余破型"、"主破-余破型"、"群破型"、"双破或多破型"、"孤立型破裂"等都有波形记录,而大破裂前的"平静"、"密集"、"低频扰动"及"慢破裂"现象也有波形显示.这些结果与天然地震很相似,几乎所有天然地震的类型和震兆异常都能在声发射破裂实验中得到发现和验证.实验还显示,在低应力阶段破裂类型较单一,但随着应力升高和逼近主(大)破裂,破裂类型越来越多,而且低频成分变多的破裂增多,慢破裂也增多.【总页数】5页(P388-392)【作者】李正光;杨润海;赵晋明;胡毅力;许昭永【作者单位】云南省地震局,昆明,650224;云南省地震局,昆明,650224;云南省地震局,昆明,650224;云南大学地球科学系,昆明,650091;云南省地震局,昆明,650224【正文语种】中文【中图分类】P315.8【相关文献】1.储层岩石破裂诱发微粒运移损害实验研究 [J], 陈金辉;康毅力;游利军;杜新龙2.地震序列类型,地震序列b值与地震大形势关系初探 [J], 焦远碧3.细观非均匀性对岩石破裂过程和微震序列类型影响的数值试验研究 [J], 焦明若;唐春安;张国民;石耀霖;侯万凯4.岩石破裂行为的实验研究 [J], 葛和平;孙岩;朱文斌;郭继春;刘德良;陈祥云;王锋;温世红5.岩石破裂电磁辐射(EMR)现象实验研究 [J], 王立凤;王继军;陈小斌;赵国泽因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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第25卷第9期岩石力学与工程学报V ol.25 No.9 2006年9月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Sept.，2006 岩石破裂过程分析系统并行计算方法研究张永彬1，2，唐春安2，3，梁正召3，徐涛2，李连崇1(1. 东北大学岩石破裂与失稳研究中心，辽宁沈阳 110004；2. 大连大学材料破坏力学数值试验研究中心，辽宁大连 116622；3. 大连理工大学土木水利学院，辽宁大连 116024)摘要：岩石工程灾害与岩石破裂过程失稳密切相关。
大型岩石工程破裂过程数值分析需要高效、准确、强大的计算能力支持。
一般传统串行计算方法难以满足要求，大规模并行计算是解决这一难题的有效途径。
岩石破裂过程分析系统是研究岩石破裂过程的一个重要数值分析工具。
在岩石破裂过程分析系统串行单机版的基础上，结合现代有限元方法和数值计算方法，在消息传递并行环境下，利用区域分解和主从编程模式，采用分布存储稀疏线性迭代并行求解方法，在Linux机群上实现应力分析模块中有限元计算的并行处理。
通过Windows和Linux协调处理策略，有效地把原有的前后处理功能和机群系统强大的计算能力结合起来，建立岩石破裂过程分析RFPA3D-Parallel并行分析系统。
算例结果表明，并行程序具有很高的加速比和并行效率，能够快速完成三维条件下300万单元的大规模岩石破裂过程分析。
应用RFPA3D-Parallel并行分析系统模拟地壳介质中广泛存在的龟裂现象，再现非均匀介质破坏和裂纹演化过程，从而显示该系统广泛的应用前景。
关键词：岩石力学；岩石破裂过程；大规模；并行计算；区域分解；消息传递界面中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)09–1795–07RESEARCH ON PARALLEL COMPUTATIONAL METHOD OFROCK FAILURE PROCESS ANALYSIS SYSTEMZHANG Yongbin1，2，TANG Chun′an2，3，LIANG Zhengzhao3，XU Tao2，LI Lianchong1(1. Center for Rock Instability and Seismicity Research，Northeastern University，Shenyang，Liaoning110004，China；2. Research Center for Numerical Tests on Material Failure，Dalian University，Dalian，Liaoning116622，China；3. School of Civil and Hydraulic Engineering，Dalian University of Technology，Dalian，Liaoning116024，China)Abstract：Rock engineering hazards are closely related to unstable failure of rocks. Numerical analysis of rock failure process of large-scale rock engineering needs effective，accurate and powerful computation，while traditional serial computation becomes incapable to solve these large-scale rock failure problems；and it is necessary to employ large-scale parallel computation technology. Rock failure process analysis(RFPA) code is one of the important numerical tools that can be used to investigate rock failure process. Based on the serial code of RFPA3D，a parallel computation model of rock failure process analysis is proplsed. We complete parallel stress analysis module of RFPA3D using finite element method on a cluster and integrate it with pre-processing and post-processing of RFPA3D installed on windows pc. The parallel program is performed using a distributed memory sparse linear iterative solver with preconditioning based on MPI(message passing interface). The linear收稿日期：2005–07–05；修回日期：2005–09–27基金项目：国家自然科学基金资助项目(50374020，50490274，50504003，5047017)；中国教育科研网格计划项目(ChinaGrid)作者简介：张永彬(1979–)，男，2002年毕业于东北大学采矿工程专业，现为博士研究生，主要从事岩石力学数值计算方面的研究工作。
E-mail：zybneu@• 1796 • 岩石力学与工程学报 2006年solver is fully parallel，working with sub-domains determined by domain decomposition parallel algorithms. Numerical tests demonstrate that this parallel program is robust and has very high performance as expected. The parallel RFPA3D system can be used to quickly fulfill rock failure process analysis of model with more than ten millions of degrees of freedom on a 32-node cluster with 64-CPU. With the application of the RFPA3D-Parallel system to simulate the fracture spacing phenomenon in the medium of earth crust，failure process and fracture evolution in heterogeneous medium like rock are revealed；and it indicates the broad potential application of the system.Key words：rock mechanics；rock failure process；large scale；parallel iterative linear solver；domain decomposition；message passing interface1 引言岩石破裂过程失稳与岩石工程灾害(边坡滑移、隧道塌方等)密切相关。
岩石变形破裂过程的研究是岩石力学研究的一个重要的方向，是采矿、岩土、水利水电、交通等岩石工程建设和设计中需要考虑的重要问题之一。
随着计算机技术和数值计算理论的发展，数值方法在岩石力学研究和应用中的作用已越来越多地得到人们的重视。
东北大学岩石破裂与失稳研究中心研究开发的二维岩石破裂过程分析(RFPA2D)系统，由于考虑了材料的非均匀性，具有跟踪裂纹扩展、贯通的分析功能，已在裂纹相互作用、矿柱破坏、岩爆机制、岩层移动、含瓦斯煤岩突出、混凝土和复合材料的断裂方面得到了初步的应用[1～5]。
但目前应用主要是针对二维基本力学问题，许多岩石力学问题往往都是三维的，因此在RFPA2D基础上刚刚开发完成了三维岩石破裂过程分析(RFPA3D)系统[6]。
三维岩石破裂过程分析不仅需要更大的计算机存储空间，而且需要更大的计算机处理速度。
此外，由于经济和社会发展的需要，我国目前相继建设和即将建设许多大型的岩土工程(如三峡工程和二滩水电站等)，这些工程结构的几何形状和载荷形状越来越复杂，规模越来越宏大，需要分析的范围通常达到几百米甚至几千米，需要巨大的计算规模和强大的计算能力。
传统的数值分析方法采用单个计算机的串行指令流计算方式，解题的规模和速度直接受到所使用计算机的内存大小和计算机速度的限制，无法满足工程计算精度和计算时间的要求。
因此，采用并行计算技术，发展岩石破裂过程分析系统，提高计算速度和容量，对于深入分析岩土工程中细观破坏本质、工程灾害分析以及稳定性评价等都有积极的意义。
并行计算在国外得到了很大发展，自从 A. K. Noor和R. E. Fulton[7]发表第一篇关于有限元并行计算的文章以来，有限元并行处理技术几乎与并行计算机同步发展。
在国内，受到硬件水平的限制，在有限元结构分析并行处理方面起步较晚，并行计算还处于发展阶段。
目前我国的高性能计算机发展已取得巨大的成绩，如曙光4000十万亿次机群和联想6800万亿次机群等已经进入世界超级计算机Top500强。
目前国内的并行计算主要应用于航空、航天、石油以及结构的动力分析方面[8～12]。
而岩土工程破坏并行计算应用软件的发展相对迟缓。
刘耀儒[13]应用基于EBE策略的预处理共轭剃度法进行了33.8万单元(107万自由度)模型的拱坝有限元并行数值计算；张友良等[14，15]开发了基于Windows 操作系统机群的并行有限元分析系统，进行了16.3万单元模型的计算分析；S. W. Chung和S. J. Kim[16]应用并行多波前并行计算方法在机群上进行了1百万自由度二维和54万自由度三维损伤局部化问题的研究。
目前，关于大规模岩石破裂过程分析的研究还非常少见。
东北大学岩石破裂与失稳研究中心与大连大学材料破坏力学数值试验研究中心合作，于2003年开始研究开发岩石和材料破坏过程分析RFPA和MFPA并行分析方法，在北京飞箭软件有限公司协助下，于2004年在联想深腾1800机群系统上实现了300万单元的有限元应力分析[17]。