基于FLAC的多尺度岩体裂隙时效扩展数值模拟试验研究

摘要

大量的工程实践表明，岩体失稳破坏是一个明显的渐进时效过程且与岩体中裂隙扩展贯通密切相关。基于此，本文依托导师的国家自然科学基金面上项目“高残余应力下卸荷破裂硬岩的流变特性及时效扩展机理研究”（41172243），提出一种研究岩体裂隙时效扩展的数值计算新方法。该方法的核心思想是虚拟微裂纹扩展贯通导致单元屈服破坏，进而由破坏的单元相互搭接连通形成宏观断裂面。作者概述了三种微裂纹扩展模式，并利用FLAC二次开发接口实现了模型的程序化。基于自定义模型进行了完整岩石岩样（单轴压缩、双轴压缩和单轴拉伸）、宏观单裂隙岩样（单轴压缩和双轴压缩）及宏观双裂隙岩样（单轴压缩）裂隙扩展数值试验研究。本文主要研究工作和成果如下：
　　①根据岩体裂隙扩展规律和经典应力强度因子计算模型，总结了三种微裂纹扩展模式（固定方向扩展模式、直线翼裂纹扩展模式、曲线翼裂纹扩展模式），结合最大拉应力准则、亚临界裂纹扩展等理论建立了微裂纹时效扩展模型。利用VS2008实现了FLAC自定义模型的程序化，通过生成了.DLL文件，在FLAC中配置调用这些.DLL文件实现了岩体多尺度裂隙时效扩展演化数值模拟。
　　②完整岩石岩样三种微裂纹扩展模式下裂隙扩展形式有较大差异，单轴压缩下固定方向扩展模式岩样裂隙表现为劈裂破坏和斜剪破坏（与微裂纹倾角分布有关）、直线翼裂纹扩展模式大致上都是劈裂破坏、曲线翼裂纹扩展模式裂隙扩展更类似剪切破坏；双轴压缩下三种扩展模式都表现为斜剪破坏，但具体的扩展路径不同；单轴拉伸下裂隙扩展的方向都与拉荷载方向正交，但具体的扩展路径也不同。数值试验的结果与相应室内试验的结果有较高的相似性，也就证实了本文的数值试验方法是可行的。通过将三种微裂纹扩展模式下的裂隙扩展情况与室内试验对比可得到压缩荷载作用下两种翼裂纹扩展模式更适用，而拉伸荷载作用下固定方向扩展模式模拟的结果更好。另外，由数值试验结果可知单元微裂纹倾角分布对不同扩展模式的影响不同。
　　③基于单轴和双轴压缩数值试验，揭示了宏观裂隙倾角变化对单裂隙岩样承载能力的影响。宏观裂隙倾角越大，岩样的承载能力越高，具体表现在裂隙的起裂和扩展时间都更长。不同微裂纹扩展模式的宏观单裂隙岩样数值试验结果不同，单轴压缩下固定方向扩展模式岩样宏观裂隙扩展为“X”形剪切裂纹扩展形式，而两类翼裂纹扩展模式岩样宏观裂隙扩展为翼裂纹扩展形式，与室内试验结果最相似的是直线翼裂纹扩展模式；双轴压缩下三种扩展模式岩样宏观裂隙扩展形式都是次生裂纹，与室内试验结果最行进的也是直线翼裂纹扩展模式，可见直线翼裂纹扩展模式最适用于宏观单裂隙岩样的数值试验研究。
　　④对四组典型的宏观双裂隙岩样进行单轴压缩下岩桥贯通形式数值试验研究，分析了不同岩桥几何布置下宏观裂隙扩展形式。岩桥倾角较小时，宏观裂隙面主要为岩桥剪切贯通形成；岩桥倾角较大时，宏观裂隙面主要由岩桥张拉贯通形成。增加预制裂隙条数会降低岩样的承载能力，具体体现在裂隙起裂和岩样贯通破坏的时间大大缩短。

目录

1 绪 论

1.1选题背景及研究意义

1.2国内外研究现状

1.3主要研究思路和技术路线图

2 岩体裂隙扩展的断裂力学理论

2.1引言

2.2裂纹的基本力学类型

2.3裂纹扩展

2.4本章小结

3 基于FLAC的单元微裂纹时效扩展模型及模拟实现

3.1引言

3.2单元微裂纹时效扩展模型

3.3 FLAC简介及模拟实现

3.4本章小结

4 不同单元微裂纹扩展模式的完整岩石时效破坏数值研究

4.1引言

4.2数值试验参数选取

4.3单轴压缩数值试验

4.4双轴压缩数值试验

4.5单轴拉伸数值试验

4.6数值试验与室内试验结果对比分析

4.7本章小结

5 含一条不同倾角裂隙岩样裂隙扩展数值试验研究

5.1引言

5.2预制单裂隙的构造

5.3采用微裂纹固定方向扩展模式的模拟结果

5.4采用微裂纹直线翼裂纹扩展模式的模拟结果

5.5采用微裂纹曲线翼裂纹扩展模式的模拟结果

5.6数值试验与室内试验结果比较分析

5.7本章小结

6 双裂隙岩样岩桥破坏模式数值试验研究

6.1引言

6.2双裂隙的几何布局

6.3双裂隙岩体岩桥贯通模式

6.4数值试验与室内试验结果比较分析

6.5本章小结

7 结论与展望

7.1主要结论

7.2展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文

B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目