巖石礦物細(xì)胞元隨機性參數(shù)賦值方法研究

羅 榮，曾亞武

（武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，武漢 430072）

1 引 言

巖石是經(jīng)過多種地質(zhì)作用形成的天然礦物集合體，在漫長的地質(zhì)年代經(jīng)歷了結(jié)晶過程的演化、高溫、高壓的影響以及各種地質(zhì)營力的作用，形成了極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特性，其中最基本的特性之一就是巖石的非均質(zhì)性[1]，即巖石是由不同的礦物顆粒集合體和膠結(jié)材料組成的非均質(zhì)體。大多數(shù)巖石是由幾種礦物組成的，巖石中的礦物成分及其含量，是決定巖石物理力學(xué)性質(zhì)的主要因素，在某些條件下甚至?xí)a(chǎn)生決定性影響[2]。

對于巖石類非均質(zhì)材料，在外力作用或環(huán)境因素（如溫度）改變等條件下，材料內(nèi)部的應(yīng)力和變形分布是相當(dāng)復(fù)雜的，主要表現(xiàn)就是其物理力學(xué)性質(zhì)的高度非均勻性和非線性，而微觀介質(zhì)（可以理解為礦物顆粒）參數(shù)的不均勻性是造成巖石力學(xué)性質(zhì)非均勻和非線性的主要原因[3－4]。大量的巖石力學(xué)試驗結(jié)果也表明巖石試樣的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)存在較大的離散性，這種試驗結(jié)果的離散性并不完全是由試驗條件等外部因素引起的，巖石自身的非均質(zhì)性是一個重要的影響因素[5]。巖石的非均質(zhì)性主要是由構(gòu)成巖石的礦物顆粒的物理力學(xué)性質(zhì)的差異性決定的，礦物顆粒的力學(xué)性質(zhì)差異越小巖石均質(zhì)性越好；反之則巖石均質(zhì)性越差。巖石力學(xué)的分析方法要成功地解決實際巖土工程中的問題，必須考慮巖石的非均質(zhì)特性[6]。

事實上，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在如何考慮巖石的非均質(zhì)特性方面開展了一系列工作，并取得了大量的研究成果。Song和 Kim[7]，Napier和 Dede[8]，Li等[9]應(yīng)用格構(gòu)模型分析了原巖的破壞過程，巖石材料的非均質(zhì)性通過隨機指定格構(gòu)單元的強度和形狀實現(xiàn)；唐春安[3,10－11]和 Kaiser[10－11]利用 Weibull分布函數(shù)描述巖石材料的非均質(zhì)參數(shù)，對二維問題做了較詳細(xì)地研究；陳永強等[12]對三維非均質(zhì)脆性材料的破壞進行了研究和數(shù)值模擬；王學(xué)濱[13]對含初始隨機材料缺陷的巖樣破壞受峰后脆性的影響進行了數(shù)值模擬；康健等[14－15]利用隨機分布參數(shù)研究了巖石熱破裂現(xiàn)象；許湘華等[16]在進行邊坡可靠度分析時利用節(jié)理面的隨機分布考慮了節(jié)理幾何參數(shù)的不確定性?？傮w來說，上述研究中對巖石非均質(zhì)特性的處理方法主要為對網(wǎng)格模型中的各單元體賦予不同的參數(shù)。因為巖石力學(xué)參數(shù)是巖石工程設(shè)計分析的關(guān)鍵性參數(shù)，其取值決定了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性、客觀性和實用性，因此，準(zhǔn)確地反映巖石的力學(xué)參數(shù)以及不均勻的分布規(guī)律，對于巖土工程設(shè)計、施工和分析評價都具有重要的意義[17]。因此，研究巖石非均質(zhì)性從微觀參數(shù)的不均勻分布著手，研究方向無疑是正確的。但上述研究中，對材料非均質(zhì)性的處理采用了統(tǒng)計分析加隨機賦值的方法，即先按一定的網(wǎng)格尺寸將材料作網(wǎng)格劃分，假定網(wǎng)格單元的材料力學(xué)參數(shù)服從某一統(tǒng)計分布規(guī)律（如正態(tài)分布或Weibull分布等），然后再由確定的分布規(guī)律產(chǎn)生一個離散的材料力學(xué)參數(shù)值序列，并按 Monte Carlo隨機方法投放到各網(wǎng)格單元中去。這類方法對網(wǎng)格單元力學(xué)參數(shù)的賦值是隨機的，沒有考慮巖石的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征。

從力學(xué)角度來看，巖石的非均質(zhì)性還表現(xiàn)為力學(xué)參數(shù)的空間變異性，這種變異并不是完全隨機的，而是具有隨機性和結(jié)構(gòu)性的二重性。張征[18]、譚文輝[19]、胡小榮[20]等基于地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法的區(qū)域化變量理論，考慮巖體力學(xué)參數(shù)的空間變異二重性特征研究了巖石的非均質(zhì)賦值方法，該種分析處理并不采用傳統(tǒng)的概率統(tǒng)計方法，而是通過對樣品數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)分析并借助變異函數(shù)這一工具來反映參數(shù)變量所具有的二重性特征，但這種方法由于本身存在的整體相關(guān)性和平滑化效應(yīng)問題，單元賦值的精度不高，還有待進一步研究[20－21]。

由此可知，在考慮巖石的非均質(zhì)性時，除了考慮微觀力學(xué)參數(shù)的隨機性外，更重要的是必須考慮巖石組成種類及含量所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性。本文提出了一種新的描述巖石非均質(zhì)特性的有限元參數(shù)賦值方法——巖石礦物細(xì)胞元隨機性參數(shù)賦值方法，即將每一個有限元網(wǎng)格視為一個組成巖石礦物細(xì)胞元，基于組成巖石的礦物種類和含量，定義單元類別判定區(qū)間，對各個礦物細(xì)胞元進行礦物類別判定，并進行參數(shù)賦值，完成賦值過程。該方法通過組成巖石的礦物種類和含量，描述巖石非均質(zhì)參數(shù)的結(jié)構(gòu)性；不同種類的礦物顆粒集合體在巖石中的分布是隨機的，也不失隨機性。

2 巖石礦物細(xì)胞元隨機性參數(shù)賦值方法

假定組成巖石的礦物顆粒在局部范圍內(nèi)具有相同的物理力學(xué)性質(zhì)，這樣根據(jù)有限元計算要求剖分所得的網(wǎng)格單元，都可以代表一個局部范圍的礦物顆粒，并將其稱之為礦物細(xì)胞元[4]，具有相應(yīng)的物理力學(xué)性質(zhì)。巖石礦物細(xì)胞元隨機性參數(shù)賦值方法就是要判定每一個礦物細(xì)胞元的礦物屬性，同一類別的礦物細(xì)胞元賦予相同的物理力學(xué)參數(shù)，其參數(shù)賦值流程如圖1所示，步驟如下：

圖1 礦物細(xì)胞元隨機性參數(shù)賦值流程圖Fig.1 Flow chart of random parameter assignment of rock mineral cell unit

（1）根據(jù)研究對象尺度確定合適的有限元網(wǎng)格剖分尺寸，并進行有限元網(wǎng)格剖分。如對于巖石材料類問題，可以考慮細(xì)觀尺度的有限元網(wǎng)格剖分；

（2）根據(jù)巖石的礦物含量或工程問題的非均質(zhì)特征定義礦物細(xì)胞元類別判定區(qū)間；

（3）利用Monte Carlo方法確定的一組離散的隨機數(shù)，逐個進行礦物細(xì)胞元類別判定；

（4）根據(jù)各礦物細(xì)胞元類別屬性，賦予相應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)。

通過上述過程，即可建立起描述巖石非均質(zhì)性的有限元模型。

2.1 礦物細(xì)胞元類別區(qū)間定義

圖2 巖石礦物含量示意圖Fig.2 Contents of the rock minerals

令

定義區(qū)間 Ai=[ui-1,ui)（其中i=1，2，…m-1；當(dāng)i=m，取右閉區(qū)間）為巖石礦物細(xì)胞元類別判定區(qū)間，即將[0，1]區(qū)間劃分為m個區(qū)間，區(qū)間 Ai即為第i類別礦物的細(xì)胞元判定區(qū)間。由于區(qū)間 Ai在[0，1]區(qū)間所占比例為 ui-ui-1=ni，ni又為礦物 i的實際含量，所以判定區(qū)間 Ai與礦物i的含量有一一對應(yīng)關(guān)系。

2.2 礦物細(xì)胞元類別判定

利用Monte Carlo方法，產(chǎn)生一組隨機數(shù)序列，該系列隨機數(shù)的個數(shù)與礦物細(xì)胞元數(shù)相同。依次利用該組隨機數(shù)序列，根據(jù)定義的礦物細(xì)胞元類別判定區(qū)間對細(xì)胞元進行類別判定。

2.2.1 Monte Carlo方法

Monte Carlo方法的理論依據(jù)是概率論中的大數(shù)定理，是一種通過隨機變量的數(shù)字模擬和統(tǒng)計分析求取數(shù)學(xué)物理工程技術(shù)問題近似解的數(shù)值方法。其基本思想是：首先為所要處理的問題建立一個概率模型，使所求問題的解剛好是該模型的參數(shù)、特征量或相關(guān)量；然后，通過統(tǒng)計試驗產(chǎn)生該問題的統(tǒng)計抽樣樣本；最后分析這些樣本的特性，并以此作為原問題的近似解。

Monte Carlo方法的主要手段是用隨機數(shù)進行統(tǒng)計試驗，產(chǎn)生符合某種統(tǒng)計規(guī)律的隨機數(shù)是應(yīng)用Monte Carlo方法的基礎(chǔ)。首先產(chǎn)生[0，1]區(qū)間均勻分布的隨機數(shù)，然后利用這些隨機數(shù)產(chǎn)生服從其他分布的隨機數(shù)或統(tǒng)計量。設(shè)隨機變量x服從概率密度函數(shù)為f(x)的分布，其概率分布函數(shù)為F(x)。

圖3、4分別為隨機變量x的概率分布函數(shù)曲線和概率密度函數(shù)曲線示意圖。首先產(chǎn)生一組服從[0，1]區(qū)間均勻分布的隨機數(shù)序列ξi，根據(jù)累計分布函數(shù)式，對于 F(xi)=ξi利用其反函數(shù)求出相對應(yīng)的xi，對于xi，根據(jù)概率密度函數(shù)可計算 f(xi)。這樣，由均勻隨機數(shù)序列ξi映射為一組特殊序列xi，由大數(shù)定理可知，當(dāng)n取得足夠大時，xi服從概率密度為f(x)的分布，即由[0，1]區(qū)間的均勻隨機數(shù)映射得到一組服從給定分布的隨機數(shù)。

圖3 概率分布函數(shù)曲線示意圖Fig.3 Curve of probability distribution function

圖4 概率密度函數(shù)曲線示意圖Fig.4 Curve of probability density distribution function

2.2.2 礦物細(xì)胞元類別判定

選用[0，1]的均勻分布作為隨機序列目標(biāo)分布，概率分布函數(shù)為F(x)=x，概率密度函數(shù)為f(x)=1。根據(jù)Monte Carlo方法，對于初始隨機數(shù)ξk，令F(xk)=ξk，即得到用以進行礦物類別判定數(shù)序列xk=ξk。

根據(jù)定義的細(xì)胞元類別判定區(qū)間 Ai，依次判別xk的所屬區(qū)間，如圖5所示，若 xk∈Ai，則判定該單元為第i類別礦物細(xì)胞元，并對該細(xì)胞元賦予相應(yīng)的i類別物理力學(xué)參數(shù)。依次對所有的礦物細(xì)胞元進行類別判定和賦值，即完成整個模型的賦值。

圖5 礦物細(xì)胞元類別判定示意圖Fig.5 Schematic diagram of sort judgment for rock mineral cells

由于礦物細(xì)胞元類別判定數(shù)xk是服從[0，1]均勻分布的隨機數(shù)序列，細(xì)胞元類別判定為第i類別礦物細(xì)胞元的概率 Pi=ui-ui-1=ni，又ni為第 i類別礦物的含量，故細(xì)胞元的類別判定概率與礦物的真實類別含量相等。

礦物細(xì)胞元混合模型通過真實地反映巖石的礦物含量來描述巖石的非均質(zhì)性，且模型使各礦物細(xì)胞元處于隨機均勻混合狀態(tài)，因此，該模型進行巖石非均質(zhì)參數(shù)賦值時既考慮了巖石參數(shù)的結(jié)構(gòu)性特征，又考慮了礦物細(xì)胞元的隨機分布特征。

3 礦物細(xì)胞元分布的隨機性特征

本文提出的巖石礦物細(xì)胞元隨機性參數(shù)賦值方法的主要思想是利用組成巖石的礦物種類及其含量定義礦物細(xì)胞元類別判定區(qū)間。利用Monte Carlo方法，產(chǎn)生服從[0，1]均勻分布的隨機數(shù)序列作為類別判定數(shù)列，利用定義的判定區(qū)間依次對細(xì)胞元進行類別判定并相應(yīng)賦值，使各類別礦物細(xì)胞元均勻隨機混合。

礦物細(xì)胞元的類別判定中采用的服從[0，1]均勻分布的隨機數(shù)序列決定了礦物細(xì)胞元分布具有隨機性。雖然細(xì)胞元的類別判定區(qū)間使得各類別細(xì)胞元含量在概率上與巖石的礦物含量相等，但對于確定的細(xì)胞元類別判定區(qū)間，隨機數(shù)取[0，1]區(qū)間任何一個數(shù)的概率都相等，因此，服從[0，1]均勻分布的隨機數(shù)序列不是惟一確定的，判定數(shù)序列的隨機性引起礦物細(xì)胞元的類別判定具有隨機性，從而導(dǎo)致礦物細(xì)胞元的分布具有隨機性特征。

對同一類別礦物細(xì)胞元組成的巖石有限元模型，僅有[0，1]一個細(xì)胞元類別判定區(qū)間，對任意服從[0，1]均勻分布的隨機數(shù)序列，所有的礦物細(xì)胞元都能被惟一地確定為同一類別，即等同為均質(zhì)模型，所有的礦物細(xì)胞元具有相同的物理力學(xué)參數(shù)，此時礦物細(xì)胞元的分布不具有隨機性特征。

對由多種礦物細(xì)胞元組成的巖石有限元模型，各單元依次進行礦物細(xì)胞元類別判定并對不同類別的礦物細(xì)胞元賦予不同的參數(shù)值，此時，類別判定數(shù)序列作為礦物細(xì)胞元類別判定指標(biāo)具有的隨機性特征將直接影響類別判定結(jié)果，使得描述巖石非均質(zhì)性的有限元模型不具有惟一確定性，依賴于隨機數(shù)序列具有隨機性特征。如圖6、7分別為兩礦物細(xì)胞元賦值混合模型和三礦物細(xì)胞元賦值混合模型示意圖，相同的巖石礦物含量定義相同的判定區(qū)間，但不同的隨機數(shù)序列進行礦物細(xì)胞元類別判定后獲得的巖石非均質(zhì)模型具有明顯的隨機性特征。

圖6 兩礦物細(xì)胞元賦值Fig.6 Assignment of two mineral cell units

圖7 三礦物細(xì)胞元賦值Fig.7 Assignment of three mineral cell units

4 巖石礦物細(xì)胞元隨機性參數(shù)賦值數(shù)值試驗

巖石的宏觀力學(xué)特征是由組成巖石的各類礦物細(xì)胞元共同作用的結(jié)果[2－3]。為研究巖石礦物細(xì)胞元分布的隨機性特征對巖石宏觀力學(xué)特征的影響，本文在彈性范圍內(nèi)，對相同的巖石礦物種類和含量，利用不同的隨機數(shù)序列進行礦物細(xì)胞元類別判定并賦值后建立的有限元模型進行了數(shù)值試驗研究。

4.1 數(shù)值試驗?zāi)Ｐ?/h3>

為簡化計算，在進行有限元數(shù)值試驗時，采用線彈性本構(gòu)關(guān)系。考慮巖石由兩礦物組成或三礦物組成，各選擇6組不同物理參數(shù)或礦物含量的試件，對每組試件進行10次礦物細(xì)胞元類別判定，建立礦物細(xì)胞元混合模型，用以研究礦物細(xì)胞元分布的隨機性特征對巖石宏觀彈性模量的影響。

數(shù)值試驗采用平面應(yīng)變模型，試件幾何尺寸為20 cm×10 cm，有限元單元（即巖石礦物細(xì)胞元）尺寸為0.5 mm×0.5 mm[4]，共劃分400×200個單元，數(shù)值試驗采用位移加載模式。由于各類巖石材料的泊松比一般為0.3左右，差異性不大，故不考慮泊松比的差異性，計算泊松比取v=0.3；巖石材料彈性模量為1～100 GPa不等，故數(shù)值試驗中，力學(xué)參數(shù)僅考慮彈性模量的差異性。對于兩礦物和三礦物混合模型，各組試件礦物細(xì)胞元彈性模量賦值參數(shù)E及礦物含量n取值分別見表1、2。

表1 兩礦物混合模型數(shù)值計算參數(shù)Table1 Parameters of two mineral cell units

4.2 數(shù)值試驗結(jié)果分析

對每一組試件，僅考慮礦物細(xì)胞元類別判定的隨機性影響，進行10次隨機類別判定及賦值，分別計算得到的等效宏觀彈性模量，如圖 8、9及表 3所示。

圖9 三礦物混合模型隨機性試驗結(jié)果圖Fig.9 Experimental results of random characteristic(three mineral cell units)

表3 兩礦物、三礦物混合模型等效彈性模量計算結(jié)果Table3 Statistical results of equivalent elastic modulus of two mineral cell units and three mineral cell units

結(jié)果表明：

（1）無論是兩礦物或三礦物組成的巖石試件，其等效宏觀彈性模量計算結(jié)果幾乎不受礦物細(xì)胞元隨機分布的影響。

（2）只要礦物種類和含量確定，建立的礦物細(xì)胞元混合模型的等效宏觀力學(xué)參數(shù)都非常穩(wěn)定，各組試件數(shù)值試驗結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)和極差都非常小。

（3）不同類別礦物細(xì)胞元之間的彈性模量相差越小，礦物細(xì)胞元混合模型的等效宏觀彈性模量的標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)和極差也越小。

（4）相同礦物含量的巖石礦物細(xì)胞元混合模型的等效宏觀彈性模量均值隨礦物細(xì)胞元彈性模量的提高而提高，說明巖石材料宏觀力學(xué)參數(shù)受礦物細(xì)胞元力學(xué)參數(shù)的影響。

4.3 數(shù)值試驗結(jié)果比較

本文采用文獻(xiàn)[4]所述的巖石非均質(zhì)參數(shù)賦值方法，對巖石單元的彈性模量進行賦值，進行相關(guān)數(shù)值試驗，計算該方法等效宏觀彈性模量的穩(wěn)定性，單元彈性模量的Weibull分布密度函數(shù)表達(dá)式為

式中：β為非均質(zhì)參數(shù)；E0為所有細(xì)胞元的彈性模量平均值；φ為彈性模量的密度函數(shù)值。

為便于比較，E0取巖石礦物細(xì)胞元隨機性參數(shù)方法中兩礦物混合模型第1組試件的所有細(xì)胞元彈性模量平均值，即取E0=44 GPa；非均質(zhì)參數(shù)β分別取3、6、9、12、15、18。計算結(jié)果見表4。

表4 Weibull分布非均質(zhì)模型等效彈性模量計算結(jié)果Table4 Statistical results of equivalent elastic modulus of inhomogeneity model(Weibull distribution)

通過比較可知，采用本文方法計算所得非均質(zhì)巖石的等效宏觀彈性模量值與利用 Weibull分布函數(shù)賦值方法（給定非均質(zhì)參數(shù)β）的計算結(jié)果在精度和穩(wěn)定性方面基本一致，說明采用本文方法描述巖石力學(xué)參數(shù)的非均勻分布是可以接受的。

但與 Weibull分布函數(shù)賦值方法相比，本文方法具有以下兩個明顯特征：

（1）考慮了巖石組成的結(jié)構(gòu)特征，即礦物組成及其含量。只要巖石的礦物組成及其含量確定，就不需要其他的非均質(zhì)參數(shù)即可獲得非均質(zhì)巖石模型，從而避免了非均質(zhì)參數(shù)的選擇對巖石力學(xué)性能造成的影響。

（2）本文方法可完全退化為均質(zhì)模型，即該方法可同時用于非均質(zhì)巖石和均質(zhì)巖石的數(shù)值模擬。

5 結(jié) 論

（1）巖石礦物細(xì)胞元隨機性參數(shù)賦值方法考慮了巖石組成的結(jié)構(gòu)特征，在賦值過程中引入巖石自身的礦物種類及含量建立判定函數(shù)，在不失隨機性的基礎(chǔ)上考慮了巖石參數(shù)賦值的結(jié)構(gòu)性。

（2）采用簡單的[0，1]均勻分布隨機數(shù)來描述巖石礦物細(xì)胞元的隨機分布特點，不依賴于其他的隨機性參數(shù)，避免了采用隨機分布（如正態(tài)分布，Weibull分布等）時分布參數(shù)的選擇帶來的不確定性影響。

（3）利用Monte Carlo方法進行礦物細(xì)胞元類別判定，對單一種類的礦物細(xì)胞元構(gòu)成的模型等同于均質(zhì)模型，無隨機性特征；而對于多種礦物細(xì)胞元構(gòu)成的混合模型，礦物細(xì)胞元的隨機分布對巖石宏觀力學(xué)參數(shù)的影響非常小，這與利用 Weibull分布函數(shù)進行參數(shù)賦值得出的結(jié)論一致。并且本文方法統(tǒng)一了均質(zhì)巖石和非均質(zhì)巖石的數(shù)值分析賦值過程，比傳統(tǒng)的采用隨機分布函數(shù)對巖石有限元單元參數(shù)進行賦值的方法具有優(yōu)越性。

（4）組成巖石的各類礦物細(xì)胞元力學(xué)參數(shù)差別越小，巖石越均勻，宏觀力學(xué)參數(shù)的變異性也越小，與利用 Weibull分布函數(shù)進行參數(shù)賦值得出的結(jié)論一致，但本文方法具有自身鮮明的特點。

（5）巖石等效宏觀彈性模量隨礦物細(xì)胞元彈性模量的提高而提高，反映了礦物類型和含量對巖石力學(xué)性質(zhì)的結(jié)構(gòu)性影響。

本文通過數(shù)值試驗主要研究了巖石礦物細(xì)胞元隨機分布對巖石宏觀彈性模量的影響，至于巖石宏觀應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、強度及變形特征、裂紋擴展等與礦物細(xì)胞元參數(shù)及礦物細(xì)胞元分布之間的關(guān)系還有待進一步研究。

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