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基于顆粒流方法的節(jié)理巖體力學(xué)參數(shù)量化
摘 要：節(jié)理巖體的力學(xué)參數(shù)是與巖體相關(guān)的地下工程設(shè)計的主要依據(jù)。區(qū)別于實驗室完整巖塊，現(xiàn)場原巖中結(jié)構(gòu)面的存在顯著弱化了巖體的強(qiáng)度，為地下工程設(shè)計帶來了一定的不確定性。為解決此問題，本論文擬采用基于顆粒流的數(shù)值模擬方法，為節(jié)理巖體的力學(xué)參數(shù)量化提供一種新思路。
關(guān)鍵詞：顆粒流;巖體力學(xué);模型參數(shù)
1 概述
顆粒流是近年來興起的主要應(yīng)用于硬巖的數(shù)值模擬新方法。區(qū)別于現(xiàn)有的連續(xù)性數(shù)值模型，顆粒流以不可破壞圓形顆粒作為基本單元，通過顆粒之間的粘結(jié)來顯式模擬完整巖塊的脆性破壞。當(dāng)顆粒之間的拉應(yīng)力超過顆粒粘結(jié)的拉強(qiáng)度時，裂紋被標(biāo)記為拉破壞，反之當(dāng)顆粒之間的剪應(yīng)力超過粘結(jié)的剪強(qiáng)度時，裂紋被標(biāo)記為剪破壞。通過這種簡單的接觸關(guān)系，顆粒流方法可以精確再現(xiàn)巖塊在壓縮或者拉伸狀態(tài)下的裂紋擴(kuò)展模式。顆粒流方法通過顆粒之間的微觀接觸來控制模型的宏觀破壞模式，模型的宏觀力學(xué)參數(shù)是通過不斷校對這些微觀接觸參數(shù)來實現(xiàn)的。
2 顆粒流模型
本論文采用的實驗室完整巖塊的力學(xué)參數(shù)來源于灰?guī)r，包括峰值強(qiáng)度：122MPa，彈性模量：80.0GPa，泊松比：0.25。圖1顯示了不包含任何節(jié)理的顆粒流模型，用于初始的顆粒接觸微觀參數(shù)校對，其中三個測量圓用于監(jiān)測模型在單軸壓縮過程中的應(yīng)力應(yīng)變變化。然后建立三個包含結(jié)構(gòu)面的節(jié)理巖體顆粒流模型;每個模型包含三組節(jié)理，其中主節(jié)理組1的傾向為0度，主節(jié)理組2的傾向為90度，兩組主節(jié)理的產(chǎn)狀設(shè)置為相同;次節(jié)理組3設(shè)置為與兩組主節(jié)理同時垂直。為了描述方便，本論文以主節(jié)理的傾角作為標(biāo)識：R-30、R-60、R-90分別表示模型中主節(jié)理的傾角為30、60、90度。各組節(jié)理的平均直徑均設(shè)置為0.5m。
3 模型解譯
本論文主要考慮節(jié)理巖體在單軸壓縮狀態(tài)下的力學(xué)參數(shù)，包括巖體的峰值單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量。由于工程巖體的尺寸在大多數(shù)情況下不適合現(xiàn)場原位試驗，目前這兩個力學(xué)參數(shù)主要通過經(jīng)驗或者半經(jīng)驗方法估算，這樣不可避免地會產(chǎn)生適應(yīng)性不足的問題。本論文介紹的顆粒流方法從數(shù)值模型的角度提供了一種新思路。通過一系列針對圖1中完整巖塊模型的單軸壓縮試驗，最終校對的顆粒流模型微觀參數(shù)如表1所示。完整巖塊在單軸壓縮過程中的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示，從中可以確認(rèn)基于表1的微觀參數(shù)所得結(jié)果符合第2節(jié)列出的灰?guī)r力學(xué)參數(shù)。表1同時提供了結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)。
圖2 完整巖塊單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線
圖3顯示了節(jié)理巖體數(shù)值模型的單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線，這些節(jié)理巖體的峰值強(qiáng)度和彈性模量也標(biāo)注于該圖中。數(shù)值模擬的結(jié)果顯示節(jié)理巖體的峰值強(qiáng)度明顯受到結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的控制。巖體強(qiáng)度隨主節(jié)理的傾角變化顯示出典型的U型特點，即當(dāng)節(jié)理傾角從15度增加到45度時，巖體強(qiáng)度從47.1MPa減小到24.5MPa，然后逐漸增大到52.0MPa(主節(jié)理傾角90度)。強(qiáng)度的U型變化可以從節(jié)理巖體的破壞模式來分析(完整巖塊控制和結(jié)構(gòu)面控制)。根據(jù)簡單力學(xué)分析，當(dāng)結(jié)構(gòu)面的摩擦系數(shù)大于結(jié)構(gòu)面的傾角時，沿結(jié)構(gòu)面的完整巖塊剪切破壞會被阻止。這種條件下節(jié)理巖體的破壞主要由節(jié)理間的完整巖塊控制，考慮到巖塊的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度，當(dāng)節(jié)理巖體的破壞是結(jié)構(gòu)面控制時，巖體峰值強(qiáng)度會偏小。
節(jié)理巖體的彈性模量呈現(xiàn)出與峰值強(qiáng)度類似的U型變化特征(圖3)。當(dāng)主節(jié)理傾角從15度增加到90度時，彈性模量首先從42.2GPa減小到29.9GPa和30.2GPa，然后增加到40.7GPa和52.5GPa。類似的，由于結(jié)構(gòu)面的剛度小于完整巖塊的剛度，當(dāng)巖體的破壞是結(jié)構(gòu)面控制型時，節(jié)理巖體的彈性模量偏小，反之，節(jié)理巖體的模量偏大。
4 結(jié)論
本論文展示了應(yīng)用顆粒流量化節(jié)理巖體的力學(xué)參數(shù)的新型數(shù)值模擬方法。通過作用于完整巖塊模型的單軸壓縮試驗，本論文首先校對了顆粒之間的微觀參數(shù)，然后通過一系列不同結(jié)構(gòu)面分布的節(jié)理巖體模型，本論文確認(rèn)節(jié)理巖體的峰值單軸抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出典型的U型變化，即當(dāng)巖體所含節(jié)理有利于巖塊的剪切滑移時，節(jié)理巖體的強(qiáng)度顯著減小;而當(dāng)節(jié)理不利于巖塊的剪切錯動時，節(jié)理巖體的強(qiáng)度更多地受到巖體中完整巖塊控制，強(qiáng)度顯著上升。節(jié)理巖體的彈性模量呈現(xiàn)出與強(qiáng)度相同的變化規(guī)律。本論文為量化節(jié)理巖體的力學(xué)參數(shù)提供了額外的途徑，論文結(jié)論可以作為地下巖體工程設(shè)計的參考。
參考文獻(xiàn)：
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