岩土材料破损过程的细观数值模拟

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1、第25卷第9期岩石力学与工程学报Vol.25No.92006年9月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringSept.，2006岩土材料破损过程的细观数值模拟刘恩龙，沈珠江(清华大学水利水电工程系，北京100084)摘要：探究岩土材料破损机制必须考虑其非均质性。岩土破损力学将岩土材料抽象成由胶结元和摩擦元组成的二元结构体，在细观尺度上分别把胶结元看成理想弹脆性的和把摩擦元看成理想弹塑性的材料，通过受荷过程中胶结元破损并逐渐向摩擦元转化来模拟岩土材料的破损过程，最后给出平面应变单轴受压应力状态下的数值算例。数值算例结果表明，基于岩土二元介质

2、概念的细观有限元方法可较好地模拟岩土材料的破损过程和变形特性。关键词：数值模拟；非均质性；细观尺度；二元介质模型；破损过程中图分类号：O242文献标识码：A文章编号：1000–6915(2006)09–1790–05MESOSCOPICALNUMERICALSIMULATIONOFBREAKAGEPROCESSESOFGEOMATERIALSLIUEnlong，SHENZhujiang(DepartmentofHydraulicandHydropowerEngineering，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China)Abstract：Geolo

3、gicalmaterialsarenonhomogeneous，whichshouldbeconsideredwhenbreakagemechanismofgeomaterialsisinvestigated.Underthetheoreticalframeworkofbreakagemechanicsforgeologicalmaterials，thegeomaterialsareconceptualizedasbinarymediumconsistingofbondedelementsandfrictionalelements，whichareidealizedaselasti

4、c-brittleelementandelastoplasticelementrespectivelyinthemesoscopicalscale.Duringtheloadingprocess，thebondedelementgraduallyfracturingandturningtobethefrictionalelementcansimulatingthebreakageprocessofgeomaterials.Lastlythenumericaltestsofuniaxialcompressionunderplanestrainconditionsareperforme

5、d.Thenumericalexamplesshowthatthemesoscopicalfiniteelementmethodbasedonthebinary-mediummodelforgeomaterialscansimulatesatisfactorilythebreakageprocessesanddeformationalpropertiesofthegeologicalmaterials.Keywords：numericalsimulation；nonhomogeneity；mesoscopicalscale；binary-mediummodel；breakagepr

6、ocess也建立了许多本构模型来描述岩土材料的变形特[4，5]1引言性。随着计算机技术的高速发展，数值模拟技术在岩土材料的破损过程研究中得到了广泛的应岩土材料的基本特性是其压硬性、剪胀性和结用。为了探究岩土材料的破损机制，发展了基于细[1]构性。在地质历史过程中，岩土体内部形成了微观结构考虑的数值模拟方法，主要包括有限元法、孔洞、微裂隙等天然缺陷，这就确定了岩土材料的离散元法、有限差分法等，并且考虑到岩土类材料非均质性，目前已进行了大量试验去观察岩土材料的细观非均匀性，通过对材料的参数进行随机赋值，[2，3][6，7]在受荷过程中的内部结构的变化过程；同时，利用有限元可以模拟岩石类

7、材料的破裂过程；收稿日期：2005–05–20；修回日期：2005–09–27基金项目：国家自然科学基金资助项目(10272062)；南京水利科学研究院开放流动研究基金项目(YK90506)作者简介：刘恩龙(1976–)，男，博士，2006年于清华大学土木工程专业获博士学位，主要从事岩土材料基本特性和数学模型方面的教学与研究工作。E-mail：lel02@mails.tsinghua.edu.cn第25卷第9期刘恩龙等.岩土材料破损过程的细观数值模拟•1791•把连续