强度参数对初始随机缺陷岩样全部变形的影响.pdf

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1、第l5卷第4期地质力学学报V0】．15No．42009年12月JOURNALOFGEOMECHANICSDec．20O9文章编号：1006．6616(2009)04．0321．09强度参数对初始随机缺陷岩样全部变形的影响王学滨(辽宁工程技术大学力学与工程科学系，辽宁阜新123000)摘要：在单轴平面应变压缩条件下，采用FLAC模拟了初始内聚力及内摩擦角对具有随机材料缺陷岩样轴向、侧向、体积变形及由侧向应变及轴向应变计算得到的泊松比的演变的影响。采用编写的FISH函数于试样内部规定随机缺陷并计算其全部变形特征。密实的岩石服从莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则，破坏之后呈现应变

2、软化一理想塑性行为。随着强度参数(初始内聚力及内摩擦角)的增加，应力峰值及对应的侧向应变的值提高，体积应变的峰值增加，应力峰值所对应的计算得到的泊松比稍有增加。由于被剪切带所分割的毗邻块体之间的相对滑动，纵然扩容角为零，试样在峰后的变形阶段，仍然可以观察到体积膨胀现象，这与作者的理论分析结果一致。当强度参数降低时，侧向应变一轴向应变曲线、体积应变一轴向应变曲线及计算得到的泊松比一轴向应变曲线的峰前非线性部分变得短暂。剪切带倾角的数值解的上限低于Coulomb理论，下限在Roscoe理论附近波动，Arthur理论的预测结果与本文剪切带倾角的数值解更接近。关键词：内聚力；内摩擦角

3、；侧向应变；体积应变；随机缺陷；扩容中图分类号：TU451文献标识码：A0引言众所周知，岩石的内聚力及内摩擦角越高，岩石的强度越高，高摩擦角将引起高的剪切带倾角。遗憾的是，在实验研究中，不能确保若干岩样仅有不同的内聚力及内摩擦角，而有相同的其它物理、力学参数。因此，内聚力及内摩擦角的单独影响难于通过实验进行研究。这一不足可由有限元法或有限差分法的数值试验避免。考虑岩石的非均质性，一些研究人员已采用数值方法模拟了岩石的破坏过程和宏观力学行为“。通常，采用威布尔分布函数描述单元强度的随机变化。在数值模拟中，广泛采用峰后脆一理想塑性的本构关系，未考虑相对复杂的峰后应变软化一理想塑性

4、的本构关系。上述研究也未涉及内聚力及l内摩擦角的影响。收稿日期：2008．07．2O基金项目：国家自然科学基金项目(编号：50974069)及辽宁省教育厅科学研究一般项目(编号：2009A322)资助。作者简介：王学滨(1975．)，男，教授，博士，从事应变软化工程材料(岩石、混凝土及韧性金属等)变形、破坏、稳定性的理论研究及数值计算工作。E—mail：wxbbb@263．net322地质力学学报拉格朗日元法(FLAC)是一个显式的有限差分程序，可以有效地模拟地质体材料达到屈服极限之后的塑性流动行为。FLAC的一个突出特点是包含了一个强有力的内嵌的编程语言FISH。FISH允

5、许用户定义新的变量、函数和本构模型。为了适合特殊的需要，用户开发的函数不仅扩展了FLAC的功能，而且添加了用户自定义的特色。文献[5—8]采用FLAC的内嵌语言FISH编制了计算平面应变压缩岩样全部变形特征的FISH函数。研究了初始内聚力及内摩擦角、扩容角、缺陷位置及软化模量对含单一材料缺陷的岩样及均质岩样的破坏过程、模式及全部变形特征的影响。本文采用FLAC模拟了初始内聚力及内摩擦角对具有随机材料缺陷岩样的轴向、侧向、体积变形及由侧向应变和轴向应变计算得到的泊松比随轴向应变演变的影响，利用过去编写的一个FISH函数。。于岩样内部预制初始随机材料缺陷，利用过去编写的FISH函

6、数计算试样的全部变形特征。1本构关系及计算模型计算模型的几何尺寸、单元划分及边界条件见图1，黑色单元代表材料缺陷，白色单元代表密实的岩石。试样的高度及宽度分别为10cm及5cm。试样两端面是光滑的，在试样的上端面施加常速度，。=2．5×10I1。m／时步，计算在小变形模式及平面应变状态下进行。将试样划分为若干正方形单元，单元边长为0．00125m。在弹性阶段，密实岩石和材料缺陷有相同的本构关系，弹性模量取为26．6GPa，泊松比取为0．21。在FLAC中，内聚力和内摩擦角与塑性应变之间的关系可以任意指定。这样，可以方便地模拟岩石在峰后应变软化阶段及残余阶段的力学行为。若内聚力

7、和内摩擦角均被规定为常数，则可以模拟材料的理想塑性行为。材料缺陷发生破坏之后经历理想塑性行为。材料缺陷的内聚力和内摩擦角分别为0．1MPa及38。。密实岩石一旦发生破坏先是经历线性应变软化行为(对应应变软化阶段)，然后是理想塑性行为(对应残余阶段)。密实岩石的破坏准则图1模型的几何特征及边界条件选取莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的模型，抗拉Fig．1Moddgeometryandboundaryconditions强度取为0．2MPa。密实岩石塑性应变为零时的内聚力及内摩擦角分别称之为岩石的初始内聚力及初始