三维条件下的岩石破裂过程分析及其数值试验方法研究

摘要

岩石破裂是一个复杂的非平衡、非线性的演化过程。研究岩土工程材料的破裂过程，对揭示材料破裂过程的宏观非线性力学行为，评价岩石以及岩石工程的安全状态，了解岩土工程结构的稳定性以及采取合理的支护措施，都具有重要的理论意义和工程价值。 岩石力学与工程问题本身就是三维的力学问题。除了少数的岩石力学问题可以简化为平面问题或者轴对称问题来进行处理外，二维模型的应用都是很有限的。由于岩石和岩体中非均匀性的存在，很容易产生不对称破坏。一旦涉及到不对称性的破坏，几乎所有的二维破坏问题都变成了三维破坏问题。 一方面，岩石介质是非透明材料，给岩石内部三维裂纹扩展和试件破坏观测带来非常大的困难。即使对于均质材料，经典断裂力学在三维破裂中遇到数学的困难，而对于极不均匀性的岩石介质的破裂问题还更难通过解析理论进行准确的描述。另一方面，在实验室的三轴试验中，因为试件制作以及加载条件的困难，往往采用伪三轴试验代替真三轴试验。数学理论上的复杂性、实验室试验和现场观测试验条件和技术的限制，都给岩石三维破裂过程的研究带来很大的困难。有限元方法仍然是解决这些问题的强有力的工具之一。以往数值模拟分析的目的往往是为了得到一个满意的初始应力场变形场或者最终受力结果，随着计算环境的改善和实际问题的客观要求的发展，岩石破裂过程分析正在转向整个结构和一个发展过程的全程模拟。本文的研究工作可以总结为以下几个方面： 1、岩石三维破裂过程分析模型研究：采用Weibull等各种随机分布函数描述岩石材料的细观非均匀性，并通过Monte-Carlo方法实现单元力学属性的随机赋值。在考虑细观单元非均匀性的基础上，建立三维弹性损伤演化本构模型，通过非均匀介质变形过程中微破裂积累造成的力学性质弱化来反映岩石宏观变形非线性的本质特征。 2、分析系统开发：采用数值计算速度较快的Fortran语言在PowerStation平台开发RFPA3D系统的应力分析模块，并在LinuxRedhat9.0平台下开发并行有限元计算模块，采用功能强大的MicrosoftVisualC++语言开发RFPA3D系统的独特的三维破坏分析模块，并利用MicrosoftVisualC++语言开发RFPA3D和RFPA3D-Parallel系统方便友好高效的前后处理界面及其接口，采用SGL公司跨平台强大图形库模块OpenGL来实现软件模拟结果的图形图像的显示。 3、基本力学试验及其机理模拟分析：分析岩石不同非均匀性、压拉比和残余强度下的变形破坏行为，模拟分析试件尺寸效应、试件形状效应、加载端部刚度效应，以及不同的加载方式以及采用不同的破坏准则、细观单元不同的随机分布类型、不同的损伤模型对岩石破裂过程的影响，分析了围压效应和真三轴试验下的中间主应力效应。 4、断裂力学试验模拟：研究空间三维裂纹的萌生、扩展、相互作用和贯通的机理，以及裂纹角度、裂纹长度和裂纹深度对表面裂纹扩展和贯通的影响。模拟岩石在单轴压缩破坏、单轴拉伸断裂、剪切断裂以及复合断裂破坏过程，综合分析试验结果和声发射空间分布图像、数值试验图像以及这些图像与各自应力应变曲线之间的关系，研究岩石破裂过程中应力场、位移场和微破裂空间演化的基本规律以及非线性行为(包括自组织临界现象、分形和逾渗行为)。 5、高性能并行计算：编制大规模并行计算软件，通过物理实验和数值试验对比分析了含单孔岩石破坏过程，分析孔径和边界对破坏强度以及破坏模式的影响，最后还模拟岩体中的等间距裂纹现象，分析了非均匀性和应力方向性的作用。 材料的破坏过程，一直是力学、材料和工程等学科的研究热点和难点之一，而数值模拟方法是研究材料破坏过程的一种重要手段。本文。将岩石变形破坏特征、统计理论和计算力学相结合，编制了用以研究岩石三维破裂过程的分析系统。本文的数值模拟有以下特点： 1、通过模拟一些常见的岩石力学现象和规律，对数值模拟结果不仅进行了理论分析，而且与实验结果的对比验证也贯穿其中。 2、通过考虑细观上的非均匀性，实现了宏观破坏过程中的非线性；采用细观上的简单本构关系，却可以模拟宏观上复杂的破裂现象。 3、采用三维的数值模型，充分利用计算机的可视化功能，不但可以得到加载中的应力场演化和破坏演化过程，而且可以从细观角度出发分析宏观破裂的三维动态演化过程，这些都是在岩石力学实验和理论无法分析得到的，可以使人们更清楚地认识到岩石破坏机制和规律。 4、以往的数值分析注重于破坏现象的模拟，本文不仅仅分析了影响岩石破坏的重要力学参数，并且可以突破岩石力学试验的限制条件，系列性的分析了岩石力学中的一些基本性质和力学现象。通过系列性的详细对比分析，有利于解释试验中发生的一些破坏现象，为改进试验设计提供力学基础，在数值方法可靠和有效的前提下取代部分试验，这也就是岩石力学中的数值试验的基本思想。

目录

文摘

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第一章 绪论

1.1三维岩石破裂过程的研究意义

1.2实验研究现状

1.3理论研究现状

1.4数值研究现状

1.5三维破裂过程的研究方法

1.6研究的主要内容和创新点

参考文献

第二章 岩石统计损伤理论分析

第三章 岩石破裂数值模型和软件开发

3.1细观破裂尺度和网格的划分

3.2 RFPA3D的基本原理

3.3基元的随机分布和赋值

3.4基元的应力-应变关系

3.5基元的破坏准则

3.6有限元应力计算

3.7数值模型的对比验证

3.8RFPA3D和RFPA3D-Parallel软件的编制

参考文献

第四章 RFPA3D基本力学参数分析

4.1均质度系数

4.2残余强度系数

4.3压拉比系数

4.4参数的随机分布

4.5破坏准则

4.6加载方式的影响

4.7幂函数本构模型和负指数本构模型

4.8 RFPA3D计算参数的选择

参考文献

第五章 岩石力学性质的数值模拟研究

5.1试件形状效应

5.2端部效应

5.3网格效应

5.4围压效应

5.5真三轴试验和中间主应力效应

5.6岩石破裂过程中的损伤分形与逾渗

参考文献

第六章 岩石断裂破坏过程的数值模拟

6.1三维裂纹扩展的模拟试验

6.2岩石的拉伸断裂过程模拟

6.3岩石剪切断裂模拟

6.4岩石复合断裂过程模拟

参考文献

第七章 高性能并行科学计算

7.1概述

7.2高性能数值计算的平台

7.3 Windows和Linux的协调处理策略

7.4加速比的测试

7.5含孔洞缺陷岩石破坏分析

7.6等间距裂纹问题的并行计算模拟

参考文献

第八章 结论与展望

作者简介

致谢