基于FLAC3D二次開發的巖體損傷演化模型

萬國慶

1? 引? 言

巖體內部含有從細觀到宏觀的各種尺寸的缺陷且分布具有隨機性。巖體內部的結構面不僅破壞了巖體的整體性，而且對巖體的力學性質和內部應力場的影響起著關鍵作用。經許多學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。國內外學者在此方面進行了大量的理論研究與試驗分析，并取得了許多可觀的成果，主要形成了細觀力學與連續維象學兩種方法分別來描述巖體的應力-應變關系。朱維申[3]通過相似材料模擬試驗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、起裂強度、裂紋間貫通強度與臨界失穩強度等重要的力學參數。本文對裂隙巖體損傷的彈性三維本構關系作了相應的理論分析，并在 FLAC3D 軟件基礎上對此本構模型進行二次開發并進行調試。

2巖體損傷以及演化的本構模型的數值模擬

2.1 圍壓為零單軸加載情況下

本文通過文獻[8]中圍壓為零的單軸壓縮下的脆性材料的應力應變關系的結果擬合的參數結果，在 FLAC3D 軟件中運用以上的擬合參數建立相應的模型并通過逐步加載單軸加載，顯現出壓縮應力與軸向應變的曲線關系圖和壓縮應力與軸向應變的曲線關系圖。易知損傷巖體在壓縮應力較小時壓縮應力-軸向應變關系和壓縮應力—側向應變的關系均表現為直線型，當壓縮應力在 34MPa 附近時壓縮應力-軸向應變關系曲線和壓縮應力-側向應變的關系曲線的斜率開始發生改變且變小，并隨著壓縮應力的增加而逐漸減少，直至壓縮應力達到貫通應力值時。

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場中 Lac? du? Bonnet? 花崗巖是一種常見的脆性材料，許多文獻從實驗方面做了大量的研究。本文通過文獻[10]中的中低圍壓的單軸加載情況下的脆性材料的應力應變關系的結果擬合的參數結果

在FLAC3D 軟件中運用以上的擬合參數建立相應的模型并通過逐步加載單軸加載，調用巖體損傷以及演化的本構模型計算主應力差與軸向應變的曲線關系與主應力差與軸向應變的曲線關系，將本文的理論結果讀出，求出相應的巖體體積應變與主應力差的關系且制作相應的曲線圖，并將本文理論結果與文獻[10]中的理論結果進行相應的比較。本文理論計算的應力—應變曲線、文獻[10]中的理論計算的應力—應變曲線均與實驗結果應力—應變曲線的形式非常相似。在數值方面，本文理論數值結果與 LDBJOSSN 組、LDB194 組實驗數據更接近。Lac du Bonnet? 花崗巖在主應力差為 160MPa 附近時最優角附近原生裂紋產生翼裂紋，這與實驗研究的結果大致相同。

3 結論

運用 FLAC3D 軟件的自定義本構功能編寫巖體損傷以及損傷演化本構模型相應的程序并通過調試與驗證。最后通過裂隙巖體在多種應力條件下的實驗數據與已有的理論結果進行相應的對比分析得出的結論：本文損傷以及損傷演化本構理論結果的應力—應變關系曲線反映了原生裂紋存在于翼裂紋的擴展均對巖體的力學性質的影響，且本文理論結果和實驗結果大體一致。而基于損傷演化本構模型，實現FLAC3D 損傷以及損傷演化本構模型的二次開發。最后通過模擬裂隙巖體在多種應力條件下原生裂紋起裂、擴展以及貫通過程中巖體的應力—應變關系曲線，并和實驗結果進行對比分析，模擬結果基本吻合，反映出該損傷以及損傷演化本構對分析裂隙巖體損傷演化過程中的力學性質具有一定參考作用。

【參考文獻】

[1] 朱維申，陳衛忠，申晉.雁形裂紋擴展的模型試驗及斷裂力學機制研究[J].固體力學學報，1998，19（4）：355-360

[2] 吳子科 ，張延松 .? 巖石單一裂紋擴展率的數值模擬研究 [J].? 礦業安全與環保， 2010， 37（4）：17～20.

[3] Niu? J，Wu? M? S? .Analysis? of? asymmetric? kinked? cracks? of? arbitrary size.? location and orientation-Part 1 Remote compression. Int. J Fract.1998，89，19-57.

[4] 陳育明、徐鼎平編著. FLAC/FLAC3D 基礎與工程實例，北京;中國水利水電出版社，2013.

[5] 孫書偉、林杭、任連偉編著.FLAC3D 在巖土工程中的運用，北京;中國水利水電出版社，2011.

[6] 馮西橋.脆性材料的細觀損傷理論和損傷結構的安定分析：清華大學工學博士學位論文，1995.

[7] X.Lee? and? J.W.Ju，? Mieromeehanieal? damage? models? for? brittle? solids，? II? ：compressive loadings， J.Eng.Mech.，117，1515 一 536（1991）.

[8] Snow? LI ， Lajtai? E? Z.? Modeling? the? stress—strain? diagram? for? brittle? rock? loaded? in compression[J].Mechanics of Materials，1988，30（3）;243—251

[9] Carter，? B.J.，? Duncan，? E.J.? and? Lajtai，? E.Z.，? 1991.? Fitting? strength? criteria? to? intact rock. Geotechnical and Geological Engineering， 9： 73–81。

[10] 周小平，張永興.卸載巖體本構理論及其應用.北京，科學出版社，2007。

[11] Okubo S， Nishimatsu Y， HE C. Loading rate dependence of class II rock behavior in uniaxial and triaxial compression tests—an application of a proposed new control method .Int. J .Rock Mech. Min. Sci. &Geomech.Abstr.1990，27（6）;559—562.