孔洞形状对层状岩石力学特性影响的FDEM数值模拟研究.pdf
《孔洞形状对层状岩石力学特性影响的FDEM数值模拟研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《孔洞形状对层状岩石力学特性影响的FDEM数值模拟研究.pdf(12页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 55 卷第 2 期2024 年 2 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University(Science and Technology)Vol.55 No.2Feb.2024孔洞形状对层状岩石力学特性影响的FDEM数值模拟研究刘平1,刘泉声1,夏明锬2,罗勇3,陈梓韬1,黄兴4,伯音1(1.武汉大学 土木建筑工程学院,湖北 武汉,430072;2.中铁十一局集团有限公司,湖北 武汉,430072;3.中铁十一局集团第五工程有限公司,重庆,400030;4.中国科学院 武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室,湖北 武汉,430072)摘
2、要:为揭示孔洞形状对层状岩石力学性质和破坏模式的影响,采用有限元离散元耦合数值模拟方法(FDEM)开展系列数值模拟研究。首先,阐述FDEM模拟层状岩石的基本原理,然后,开展不同层理倾角完整试样的单轴压缩模拟,并与试验结果进行对比验证。最后,对含有圆形、椭圆形、三角形、矩形和方形孔洞的层状岩石试样(为0、30、45、60和90)进行单轴压缩模拟研究。研究结果表明:对于不同孔洞形状的试样,抗压强度和试样破坏程度随层理倾角的增大呈V字型变化趋势,且均在层理倾角为0时抗压强度取得最大值,在90时破坏程度最为严重;孔洞的存在严重削弱了试样的力学性能,且削弱幅度与孔洞形状密切相关,其中方形和圆形孔洞对抗压
3、强度的削弱能力最弱。将含不同形状孔洞试样的破坏模式随层理倾角的变化主要分为穿层理面拉剪混合破坏(=0)、沿层理面与穿层理面混合拉剪破坏(=30)、沿层理面剪切破坏(=45和60)和沿层理面拉剪劈裂破坏(=90)。关键词:有限元离散元耦合数值模拟方法;层状岩石;孔洞形状;单轴压缩模拟;力学性质中图分类号:TU458 文献标志码:A文章编号:1672-7207(2024)02-0595-12Effect of hole shapes on mechanical behavior of layered rocks using FDEM numerical methodLIU Ping1,LIU Qu
4、ansheng1,XIA Mingtan2,LUO Yong3,CHEN Zitao1,HUANG Xing4,BO Yin1(1.School of Civil Engineering,Wuhan University,Wuhan 430072,China;2.China Railway No.11 Construction Bureau Group Co.Ltd.,Wuhan 430072,China;3.The 5th Engineering Co.Ltd.,China Railway 11th Bureau Group,Chongqing 400030,China;4.State Ke
5、y Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering,Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430072,China)收稿日期:2023 07 12;修回日期:2023 10 05基金项目(Foundation item):国家自然科学基金资助项目(U21A20153);湖北省重点研发计划项目(2021BCA133);中铁十一局集团有限公司科技创新项目(22-AI-06)(Project(U21A20153)supported b
6、y the National Natural Science Foundation of China;Project(2021BCA133)supported by the Key Research and Development Project of Hubei Province;Project(22-AI-06)supported by the China Railway No.11 Construction Bureau Group Co.Ltd.)通信作者:刘泉声,研究员,博士生导师,从事岩土工程研究;E-mail:DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2024.
7、02.013引用格式:刘平,刘泉声,夏明锬,等.孔洞形状对层状岩石力学特性影响的FDEM数值模拟研究J.中南大学学报(自然科学版),2024,55(2):595606.Citation:LIU Ping,LIU Quansheng,XIA Mingtan,et al.Effect of hole shapes on mechanical behavior of layered rocks using FDEM numerical methodJ.Journal of Central South University(Science and Technology),2024,55(2):5956
8、06.第 55 卷中南大学学报(自然科学版)Abstract:To reveal the influence of hole shapes on the mechanical behaviors and failure modes of layered rocks,a series of numerical simulations were carried out using the combined finitediscrete element method(FDEM).Firstly,the basic principle of FDEM simulation of layered roc
9、ks was introduced,and then the uniaxial compression simulation of intact samples with different foliation angles was carried out,and compared with the experimental results.Finally,a series of uniaxial compression simulations were carried out for layered rock samples(=0,30,45,60,and 90)with circular,
10、elliptical,triangular,rectangular,and square holes.The results show that for samples with different hole shapes,the compressive strength and the damage degree of samples show a V-shaped change trend with the increase of foliation angles,and the compressive strength reaches the maximum when the folia
11、tion angle is 0,and the damage degree is the most serious when it is 90.The existence of holes seriously deteriorates the mechanical properties of the samples,and the weakening extent is closely related to the shape of holes.The weakening ability to compressive strength of square and circular holes
12、is the weakest.The failure modes of samples containing holes with different shapes are mainly divided into tensile-shear mixed failure across the bedding plane(=0),tensile-shear mixed failure along the bedding plane and across the bedding plane(=30),shear failure along the bedding plane(=45 and 60)a
13、nd tensile-shear splitting failure along the bedding plane(=90).Key words:combined finite-discrete element method;layered rock;hole shapes;uniaxial compression simulation;mechanical behavior层状岩石属于典型的各向异性介质,在我国分布较为广泛,由于其特殊的成岩环境加之长期地质构造运动的作用,岩石产生不同形状和大小的孔洞12。岩石的强度及变形特征与内部缺陷的几何形态有着密切联系3,在层理面影响下使岩石的力学特征
14、变得更为复杂。因此,开展含孔洞缺陷层状岩石力学特性的研究,对了解其变形破坏机理有着重要的意义。孔洞形状对岩石强度特征和破坏机理有着重要影响。国内外众多学者在试验及数值模拟方面开展了较为热烈的研究与讨论,并取得了丰硕的研究成果46。在室内试验方面,LI等7对含圆形和椭圆形孔洞的大理岩进行了系列单轴压缩试验,指出孔洞的几何形状是影响大理岩强度和破坏模式的重要因素。ZENG等8通过对6种不同形状孔洞(正六边形、圆形、椭圆形、正方形、直墙拱形和梯形)岩石的单轴压缩试验得出,由于孔洞周围的力场分布不同导致孔洞形状对岩石单轴抗压强度和破坏模式有很大影响,但对弹性模量的影响很小。WU等910对含不同孔形状的
15、砂岩试样进行了大量的单轴压缩试验,结合DIC和声发射分析发现孔的存在大大削弱了试样的力学性能,削弱能力从大到小依次为矩形、正方形、梯形、倒U型、圆形。此外,LIN等1113报道了除孔洞形状外,孔洞的数量和分布特征对岩石抗压强度和破坏模式也有显著影响,这主要取决于岩桥的角度和距离。尽管室内试验可以获得岩石强度和最终破坏模式,但对于岩石内部裂纹的孕育发展过程难以确定,而数值模拟方法可以很好地再现裂纹的演化过程,已成为研究岩石力学性质的重要手段。周喻等1416利用PFC研究了不同孔间距和倾角对类岩石强度、裂纹模式及破裂孕育演化特征。GUI等17采用有限元离散元耦合方法对圆形、矩形和三角形孔洞岩石的力
16、学行为进行了模拟,结果表明数值模拟可以合理再现裂纹的萌生和扩展,并能很好预测孔洞形状对力学性能的变化规律。对于层状岩石而言,岩石的强度和变形特征受层理面特性的影响显著1819,其力学特性通常表现出明显的各向异性20。层状岩石的单轴压缩试验21、巴西劈裂试验22和直接拉伸试验23等结果均表明,与各向同性材料相比,各向异性岩石的破坏模式更为复杂,主要发生沿层理面和穿岩石基质的混合破坏。以往有关孔洞岩石的数值模拟研究多集中在各向同性岩石方面,对于层状岩石的研究相对较少,且采用较为传统的有限元或离散元数值模拟方法,这使得难以模拟孔洞周围裂隙的起裂、孕育扩展及贯通破坏过程,也难以模拟岩石破碎后碎片之间的
17、接触挤压效应和运动过程。而与传596第 2 期刘平,等:孔洞形状对层状岩石力学特性影响的FDEM数值模拟研究统基于连续或非连续的数值模拟方法相比,有限元离散元耦合数值模拟方法(FDEM)可以有效模拟岩石中裂纹的孕育发展及贯通全过程,且不需要提前设置裂纹扩展路径。此外,FDEM采用高效的NBS(no binary search)接触算法和基于势的接触力算法,使其可以较好地获得碎石片之间的接触挤压行为和接触力大小24。基于上述分析,有必要对含孔洞缺陷的层状岩石进行力学特性和破裂过程的研究。因此,本文作者采用有限元离散元耦合数值模拟方法(combined finite-discrete elemen
18、t method,FDEM)研究孔洞形状和层理倾角对层状岩石力学特性的影响规律,进而揭示不同孔洞形状下层状岩石的破坏机制。首先,介绍FDEM模拟层状岩石的基本原理,通过破坏模式和强度的对比验证参数及模型的准确性。在此基础上对不同层理倾角试样进行单轴压缩模拟,研究孔洞形状和层理倾角对单轴抗压强度和破坏模式的影响,进一步加深对不同孔洞形状层状岩石力学特性的了解,以期为相应工程的稳定性分析及灾害防控提供一定的参考价值。1 数值模拟方法及模拟方案1.1FDEM模拟层状岩石的基本原理由MUNJIZA等25提出的FDEM方法结合了有限元和离散元方法的优点,可以有效地实现岩石类材料在外荷载作用下裂纹萌生、扩
19、展、贯通和破坏全过程的模拟。其基本原理简述如下:在FDEM中,模拟对象被离散为由节点和三角形单元组成的网格,并在相邻2个三角形单元之间插入起黏结作用初始无厚度的四边形节理单元,如图1(a)所示。三角形单元仅发生弹性变形,采用广义胡可定律计算变形后的柯西应力。四边形节理单元可以发生塑性变形和破坏26,节理单元承受的拉伸应力和剪切应力可根据应力张开量关系确定(图1(b)。当节理单元位移达到相应极限位移时,节理单元发生破裂,两侧的三角形单元开始发生接触,FDEM采用高效的NBS接触检索算法和基于势函数的接触力计算方法26。文献2526详细介绍了FDEM的基本原理。最初提出的FDEM方法主要是为了模拟
20、各向同性介质的力学行为,为模拟层状岩石在外部荷载作用下的力学响应,LISJAK等27提出了弥散方法(smeared method)。在弥散方法中,建模时显示表征岩石的层理面,层内材料(岩石基质)的网格拓扑结构采用随机三角形单元进行划分,以更加真实地反映层状岩石在外荷载作用下的力学响应特征。为了引入强度各向异性,将四边形节理单元的强度参数定义为节理单元与层面夹角的函数,并假设抗拉强度参数(抗拉强度ft和型断裂能G)和抗剪强度参数(黏聚力c和型断裂能G)在最大值(=90)和最小值(=0)之间呈线性变化(图2),具体表达式为27(a)FDEM网格划分;(b)节理单元应力位移关系图1FDEM网格划分及
21、节理单元的本构关系Fig.1Mesh division of FDEM and constitutive model of joint element597第 55 卷中南大学学报(自然科学版)ft=ft0+ft90-ft090c=c0+c90-c090GI=GI0+GI90-GI090G=G0+G90-G090(1)式中:ft、c、G和G分别为四边形节理单元与层理面呈任意夹角时的抗拉强度、黏聚力、型断裂能和型断裂能;ft0、c0、G0和G0分别为平行层理面(=0)时节理单元的抗拉强度、黏聚力、型断裂能和型断裂能;ft90、c90、G90和G90分别为垂直层理面(=90)时节理单元的抗拉强度、
22、黏聚力、型断裂能和型断裂能。1.2数值模型建立及模拟方案以 0层理倾角下含圆形孔洞试样例,使用Gmsh软件建立如图3所示的数值计算模型。单轴压缩模型的长宽为100 mm50 mm,与室内试验试样尺寸相同。层理间距为10 mm,网格边长为1.5 mm18。圆形孔洞位于整个试样中心,半径为 5 mm。上、下加载板均采用0.05 m/s的速度相向加载27,整个模型的有效加载速率为0.1 m/s。上下加载板与岩石试样之间的摩擦因数为0.128。层理倾角定义为层理面与水平方向的夹角,层理倾角分别为0、30、45、60和90。以孔洞形状为标准对模型进行分组,建立了圆形、椭圆形、三角形、矩形和方形5种形状的
23、岩石模型进行单轴压缩试验。对于每种孔洞形状,均包含0、30、45、60和90这5种层理倾角,共创建25种数值模拟工况。不同形状孔洞均位于试样中心,且孔洞面积基本一致29,约为78.5 mm2。不同孔洞形状的模型示意图和具体尺寸如图4所示。1.3输入参数选取采用TATONE等30提出的FDEM参数校核流程,对FDEM输入参数进行标定。当模拟得到的强度和破坏模式与试验结果相近时,可认为该套输入参数是合理的26。标定后的力学参数见表1,其中,为试样密度;E和E分别为平行层理面和垂直层理面的弹性模量;v和v分别为平行层理面和垂直层理面的泊松比;为黏滞阻尼,=2hE;ft,min和ft,max分别为平行
24、层理面和垂直层理面的抗拉强度;cmin和cmax分别为平行层理面和垂直层理面的黏聚力;G,min和G,max分别为平行层理面和垂直层理面的型断裂能;G,min和G,max分别为平行层理面和垂直层理面的型断裂能;Pf、Pn和 Pt分别为节理罚值、接触法向刚度和切向刚度。采用表1中的参数开展不同层理倾角完整试样的单轴压缩模拟,并与文献31中的试验结果进行对比,如图5所示,其中蓝色表示拉伸破坏裂纹,红色表示剪切破坏裂纹。从图5可以看出,数值模(a)层状岩石网格拓扑结构;(b)强度参数变化规律27图2FDEM中的弥散方法Fig.2Smeared method in FDEM598第 2 期刘平,等:孔
25、洞形状对层状岩石力学特性影响的FDEM数值模拟研究拟试样的破坏模式与物理试验得到的破坏模式基本一致;对于层理倾角为0的试样,主要发生穿层理面剪切破坏,表现为典型的型破坏模式;当层理倾角为30时,试样发生沿层理面剪切和穿层(a)0;(b)30;(c)45;(d)60;(e)90图3不同层理倾角下含圆形孔洞的数值模型Fig.3Numerical models with circular holes under different foliation angles(a)圆形孔;(b)三角形孔;(c)方形孔;(d)矩形孔图4不同形状孔洞的数值模型(=0)Fig.4Numerical models wi
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 孔洞 形状 层状 岩石 力学 特性 影响 FDEM 数值 模拟 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。