数值模拟在岩体力学中的应用

数值模拟在岩体力学中的应用

摘要:岩体由于各种结构面的存在导致其在工程结构和力学性能上呈现非均质、非线性、非连续的各向异性,因此在研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律时非常困难。数值模拟由于其可控性、无破坏性、安全性、允许多次重复等优点而在岩体力学中有着广泛的应用前景。文章从岩体的抗压试验模拟、抗剪试验模拟、岩体渗流几个方面介绍了近年来国内外这方面的研究成果。

关键词:岩体力学;数值模拟

岩体是在不连续面的切割下形成一定的岩体结构并赋存于一定的地质环境中的地质体。它与其他固体介质的重要区别在于岩体中存在着断层、节理、层面等各种结构面。这些结构面的存在大大改变了岩体的力学性能,导致了岩体在工程结构和力学性能上呈现非均质、非线性、非连续的各向异性等特性。要获得对岩体力学的基本力学参数,通常需要做原位试验。但是由于岩体结构的复杂性,以及试验研究成本昂贵,特别是试验结果可重复性差等因素,仅仅通过现场原位试验,是不能反映岩体工程中的地质信息和岩体力学的真实规律的。数值模拟由于其可控性、无破坏性、安全性、允许多次重复等优点而在岩体力学中有着广泛的应用前景。而且国内外的学者在这方面取得了不少的研究成果,它们主要表现在岩体力学的抗压试验模拟、抗剪试验模拟、岩体渗流试验模拟。

1岩体的抗压试验模拟

岩石是组成岩体的基本材料,而岩石的损伤和破坏是岩石力学中最复杂、最困难的课题,但是对岩石破坏机理的认识是控制和解决重大岩体工程灾害的关键。学者周辉等采用平面弹塑性细胞自动机模型在细观尺度上模拟应变软化岩石类材料的单轴压缩破坏过程,模拟了不同均质度岩石的单轴压缩破坏过程。得到了岩石单轴压缩条件下的全过程应力——应变曲线,开发了二维岩石弹塑性细胞自动机数值模拟软件。赵吉坤等基于应变空间理论导出了弹塑性损伤细观模型,提出了破坏单元网格消去法来模拟裂纹扩展,实现了岩石三维破裂过程的数值模拟。从而得出考虑岩石细观局部塑性变形时的岩体稳定性要大于不考虑局部塑性时的稳定性。学者赵吉坤指出通过考虑非均匀性特点研究岩石的非线性力学行为,是一种运用连续介质力学方法解决非连续介质力学问题的新型数值分析方法。细观模型并行算法在三维大理石三点弯曲梁无晶体和有晶体情况下破坏试验和三点偏弯曲梁弹塑性损伤破坏力学试验的实现,为此模型的实际工程应用奠定了良好的基础。

两位学者均指出岩石材料的非均匀性是影响岩石力学性能的主要因素。学者赵复笑等运用岩石破裂过程分析系统,研究了岩石介质非均匀性对岩石力学性质的影响。他指出:岩样的非均匀程度将会影响岩样的变形非线性行为和强度。{1}随着均质度系数的降低,宏观变形的非线性增强;随着均质度系数的提高,宏观变形的线性规律增强。{2}随着均质度系数的提高,岩样的宏观强度和弹性模量增

加。{3}随着均质度系数的提高,主破裂前的前兆信息显著减小。{4}随着均质度系数的提高,岩石的宏观破裂表现为集中破裂模式,反之,表现出弥散性。

学者S.Skatulla把电活性聚合物(EPA)引入到岩石材料的非线性分析中,采取应变梯度方法的基础上广义连续框架并扩大到也包括电力耦合行为的EAP,建立了广义连续理论。广义连续理论的基本思路是考虑微观和宏观这两个空间跨度的广义空间。所有的数量包括本构方程是定义在这个广义的空间,而这项工作的常规电力耦合非线性超弹性分析是植根于广义连续。在这种方法下,材料信息的微型空间在这里只是几何规格的微型连续体,自然可以用本构方程表示其变化规律。该方法适应把不同的线性以及非线性超弹性构法、可以归结为电力耦合材料的行为以及规模效应编入处理。模拟数值实例表明了规模效应的重大影响。这些都是小的规模问题展示了像电活化聚合体的结构得到加强这样材料的机电耦合行为。例如:例如纤维等,在某些同向方向其硬度是增加的。但是他同时指出: 在现实的模拟,我们需要从EAP的专门实验中得到材料数据,他的理论并不能直接的应用。在今后的工作重点将是建立一个健全的本质功能函数,为机电耦合问题提供更进一步逼真模型。Yu-Geng Tang 提出了一种基于实地观测对岩土工程问题进行反分析的非线性优化技术(NOT),并结合额外的辅助手段以提高NOT的收敛性和稳定性。他利用有限元软件结合NOT和辅助手段成功地分析了岩土工程中的变形问题。

2岩体的抗剪试验模拟

岩石节理的抗剪强度是岩土工程设计中重要的力学参数,其影响因素复杂,研究节理抗剪强度与其影响因素之间的关系对于合理确定岩石节理抗剪强度参数具有重要意义。学者徐磊等在对岩石节理进行分形模拟的基础上,建立了岩石分形充填节理直剪试验数值分析模型,采用数值模拟方法,研究了充填度与岩石分形充填节理抗剪强度之间的关系,指出:对于D=1.1的岩石分形节理,当其充填度小于1时,节理抗剪强度受节理表面形态、充填物力学性质以及壁岩力学性质的共同影响,但随着充填度的增加,节理表面形态对节理抗剪强度的影响迅速减弱,而充填物力学性质对节理抗剪强度的影响迅速增加;当充填度大于1时,节理抗剪强度主要受充填物力学性质的控制,基本不再受到节理表面形态的影响。

学者陈建平等采用不确定理论建立了三维节理网络模拟技术分析了节理岩体的三维综合抗剪强度,该技术是利用野外不连续面现场地质调查所获得的原始数据,建立结构面几何参数分布的概率统计模型,进而应用蒙特卡罗模拟方法构筑不连续面在三维空间的组合形态,借助计算机生成三维网络模型。在建立三维网络模型的基础上,通过搜索不连续面和岩桥组合破坏的临界路径来确定连通率并提供三维综合抗剪强度指标,在搜索过程中应用遗传算法。具体做法是将连通率的概念和求解建立在三维破坏路径的基础上,通过搜索最可能破坏路径来求解连通率并确定岩体结构的―最弱环节‖。用物理搭接方法精确求解三维连通率的方法得到了临界路径是不连续面和岩桥组合而成的空间贯通路径,对应着岩体结构的―最弱环节‖,而且应用遗传算法确保搜索到提供最小抗剪强度的不连续面和岩桥组合路径即为临界路径。

学者N. Cho等用离散元件来模拟直剪试验表明在试验中发展的裂缝主要是拉性裂纹。在离散元仿真模型中观察到的破裂发展过程表明,倾斜破碎平行于最大主剪应力方向发展。半梯型延伸破碎也产生和会集成类似于用脆性岩石做常规三轴试验中观察到的剪切带。并且他们强调了在低正常压力下剪切带发展的拉伸破裂的重要性,因为在许多岩质边坡中应力相对较低,在这种条件下拉伸压裂评价边坡的稳定的重要性可能被低估。学者V. Lemiale把线性稳定性分析与德鲁克一普拉格强度准则一起应用于不可压缩粘性的塑料材料模型类型,得出剪切带的角度与库仑方向密切相关,但是他不清楚这个模型为什么与库仑理论非常符合,而与其他强度理论的关系不是很大。他说这可能是数值模拟本身中通常高斯点被流动材料点所取代可能是在此观察到行为的主要因素之一。V. Lemiale在文章中提出他在上一篇文章中使用德鲁克一普拉格强度准则并考虑到在粘性层的上方介入一个粘塑性层,并没有得出结果,他的解释是下层粘性应用使得在当前的工作中减弱了局部效应,从而使得应变无变化区增大以致剪应力圈角度的估计更加难以实现。可见在没有弄明白岩体力学的基本机理时,对岩体力学进行数值模拟是具有盲从性的,但是我们可以从这些假定或假说中得到些启发,为以后的研究和应用打下一定的铺垫。

3岩体渗流的数值模拟

由于岩体中存在大量的结构面,而这些结构面使岩体在工程结构和力学性能上呈现非均质、非线性和非连续性的同时,也成为地下水流的主要通道,使得岩体渗流呈现出非均匀各向异性。而环境因素中水化学作用对岩石的侵蚀是影响岩石孔隙结构的主要因素之一。水岩作用使得岩石中部分活性矿物发生溶解,溶质随水分迁移,运移出岩石体内,在其中形成空腔、溶洞及溶蚀裂隙等,进而增加其孔隙率,从而影响岩体力学特性。

学者崔强等利用SEM电镜扫描技术和x衍射晶体鉴定技术,对经0.01 mol/L,pH值为12的NaOH溶液作用前后的φ50 mm×100 mm大小砂岩试件的表面和矿物成分进行分析,探讨砂岩试件腐蚀表面的微区形貌和矿物组成的变化特征并对其变化规律进行分析,得出砂岩孔隙率变化受溶液酸碱度影响和制约的结论。基于化学动力学理论和溶质迁移理论,建立水岩系统的对流——扩散——反应模型,运用孔隙率的变化来定量描述了由于水岩作用引起的岩石细观结构的变化。刘亚晨在前人就热、液、力三因素各自影响裂隙岩体渗透特性的研究和文章所进行的温度及附加应力作用下单裂隙岩样实验的基上.综合分析了裂隙岩体THM耦合过程,得出裂隙结构面的剪胀以较大程度地影响着渗透率,这一影响在温度的作用下,将扩大其影响范围,而在非应力剪胀区,渗透率随温度的升高而降低。何翔等采用等效连续介质模型,引入介质渗流系数张量与介质体积应变之间的函数关系式,建立了能反映介质中孔隙压力与骨架变形非线性耦合作用的数学模型。采用Taylor 随机有限元法对该含随机参量的耦合模型进行数值模拟,得到了空隙水压力、有效应力等场变量的数值特征。Dariusz Gawin等提出了一种新的暴露在与去离子水中的水—化学—力相互作用的粘性材料数学模型。该模型在分析钙浸出过程中,提出了描述过程动力的方程而不是以前模型中常用的均衡曲线。这使得直接可以考虑到受时间演化过程影响的钙浸出的时间特性,尤其是在孔隙水中相对较快的钙浓度的减少。该模型同时对在化学降解过程中描述岩石运