基于FLAC3D二次開發(fā)的巖體損傷演化模型

萬國慶

1? 引? 言

巖體內(nèi)部含有從細(xì)觀到宏觀的各種尺寸的缺陷且分布具有隨機(jī)性。巖體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)面不僅破壞了巖體的整體性，而且對巖體的力學(xué)性質(zhì)和內(nèi)部應(yīng)力場的影響起著關(guān)鍵作用。經(jīng)許多學(xué)者研究分析均闡述了裂隙對巖體的破壞方式與滲流途徑具有直接制約性。國內(nèi)外學(xué)者在此方面進(jìn)行了大量的理論研究與試驗(yàn)分析，并取得了許多可觀的成果，主要形成了細(xì)觀力學(xué)與連續(xù)維象學(xué)兩種方法分別來描述巖體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。朱維申[3]通過相似材料模擬試驗(yàn)的方法研究了雙軸壓縮載荷作用下閉合雁形裂紋的起裂、擴(kuò)展以及裂紋間貫通模式，得到了雙軸壓縮載荷條件下，位于不同方位下的原生裂紋的開裂角、起裂強(qiáng)度、裂紋間貫通強(qiáng)度與臨界失穩(wěn)強(qiáng)度等重要的力學(xué)參數(shù)。本文對裂隙巖體損傷的彈性三維本構(gòu)關(guān)系作了相應(yīng)的理論分析，并在 FLAC3D 軟件基礎(chǔ)上對此本構(gòu)模型進(jìn)行二次開發(fā)并進(jìn)行調(diào)試。

2巖體損傷以及演化的本構(gòu)模型的數(shù)值模擬

2.1 圍壓為零單軸加載情況下

本文通過文獻(xiàn)[8]中圍壓為零的單軸壓縮下的脆性材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的結(jié)果擬合的參數(shù)結(jié)果，在 FLAC3D 軟件中運(yùn)用以上的擬合參數(shù)建立相應(yīng)的模型并通過逐步加載單軸加載，顯現(xiàn)出壓縮應(yīng)力與軸向應(yīng)變的曲線關(guān)系圖和壓縮應(yīng)力與軸向應(yīng)變的曲線關(guān)系圖。易知損傷巖體在壓縮應(yīng)力較小時(shí)壓縮應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系和壓縮應(yīng)力—側(cè)向應(yīng)變的關(guān)系均表現(xiàn)為直線型，當(dāng)壓縮應(yīng)力在 34MPa 附近時(shí)壓縮應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線和壓縮應(yīng)力-側(cè)向應(yīng)變的關(guān)系曲線的斜率開始發(fā)生改變且變小，并隨著壓縮應(yīng)力的增加而逐漸減少，直至壓縮應(yīng)力達(dá)到貫通應(yīng)力值時(shí)。

2.2 中低圍壓單軸加載情況下

在加拿大核廢料處理地下試驗(yàn)場中 Lac? du? Bonnet? 花崗巖是一種常見的脆性材料，許多文獻(xiàn)從實(shí)驗(yàn)方面做了大量的研究。本文通過文獻(xiàn)[10]中的中低圍壓的單軸加載情況下的脆性材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的結(jié)果擬合的參數(shù)結(jié)果

在FLAC3D 軟件中運(yùn)用以上的擬合參數(shù)建立相應(yīng)的模型并通過逐步加載單軸加載，調(diào)用巖體損傷以及演化的本構(gòu)模型計(jì)算主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變的曲線關(guān)系與主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變的曲線關(guān)系，將本文的理論結(jié)果讀出，求出相應(yīng)的巖體體積應(yīng)變與主應(yīng)力差的關(guān)系且制作相應(yīng)的曲線圖，并將本文理論結(jié)果與文獻(xiàn)[10]中的理論結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的比較。本文理論計(jì)算的應(yīng)力—應(yīng)變曲線、文獻(xiàn)[10]中的理論計(jì)算的應(yīng)力—應(yīng)變曲線均與實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)力—應(yīng)變曲線的形式非常相似。在數(shù)值方面，本文理論數(shù)值結(jié)果與 LDBJOSSN 組、LDB194 組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更接近。Lac du Bonnet? 花崗巖在主應(yīng)力差為 160MPa 附近時(shí)最優(yōu)角附近原生裂紋產(chǎn)生翼裂紋，這與實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果大致相同。

3 結(jié)論

運(yùn)用 FLAC3D 軟件的自定義本構(gòu)功能編寫巖體損傷以及損傷演化本構(gòu)模型相應(yīng)的程序并通過調(diào)試與驗(yàn)證。最后通過裂隙巖體在多種應(yīng)力條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與已有的理論結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的對比分析得出的結(jié)論：本文損傷以及損傷演化本構(gòu)理論結(jié)果的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線反映了原生裂紋存在于翼裂紋的擴(kuò)展均對巖體的力學(xué)性質(zhì)的影響，且本文理論結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果大體一致。而基于損傷演化本構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)FLAC3D 損傷以及損傷演化本構(gòu)模型的二次開發(fā)。最后通過模擬裂隙巖體在多種應(yīng)力條件下原生裂紋起裂、擴(kuò)展以及貫通過程中巖體的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線，并和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，模擬結(jié)果基本吻合，反映出該損傷以及損傷演化本構(gòu)對分析裂隙巖體損傷演化過程中的力學(xué)性質(zhì)具有一定參考作用。

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