岩石三维破裂过程的数值模拟研究

采用细观弹性损伤模型和有限元计算方法实现岩石三维破裂过程的数值模拟。考虑到岩石非均匀性的本质特征，通过引入简单直观的单元本构模型，采用细观单元材料性质退化的办法，利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过干旱；模拟单轴压缩、单轴拉伸和剪切破裂3种基本试验，得到岩石非线性应力-应变曲线和不同载荷阶段三维损伤破裂演化系列图像；分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。试验研究表明，三维破裂比二维破裂更为复杂，RFPA^3D可以有效地模拟脆性材料的三维破裂。     

隧道开挖方式对建筑物桩基影响的数值模拟分析

运用岩石破裂与失稳过程分析RFPA^2D系统以及FLAC^2D。程序对广州地铁二号线隧道通过电化教育学院录音楼引起建筑物桩基的变形与力学特性进行研究。RFPA^2D系统视材料为非均匀损伤材料，考虑修正后的Mohr-Coulomb准则(包含拉伸截断)作为单元破坏的强度判据，研究不同隧道开挖方式对建筑物桩基和地面移动的影响。分析表明，RFPA^2D系统是研究地表移动和破坏机理的适用工具。     

岩石剪切破坏过程的RFPA2D数值模拟

运用岩石破裂与失稳过程分析RFPA^2D系统，对岩石剪切破裂过程进行了数值模拟研究。将剪切岩石视为非均匀弹－脆岩石材料，模拟结果再现了岩石剪切滑动形成从变形到破坏直至失稳的全过程，剪断面是滑动形成的主要形式，并首先在试样一端出现，然后再形成由一端及里的剪断面扩展直至另一端最后产生剪断面破坏贯通，形成统一的滑动面，岩石剪切破裂面分形维数还对应着剪断面的粗糙程度和力学行为。     

预制裂纹几何与材料属性对岩石 裂纹扩展的影响研究

 采用岩石破裂过程的弹塑性细胞自动机模拟系统EPCA2D，研究含预制裂纹岩石试件裂隙的几何位置以及基质材料力学属性的差异对裂纹扩展和搭接的影响。模拟中采用弱化元胞单元来表征试件中存在的预制裂纹，用Weibull随机分布对岩石基质元胞单元的力学参数进行赋值，以反映作为岩石基质一部分的岩桥的非均质性。表征预制裂纹的弱化元胞单元服从理想弹塑性本构关系，基质元胞单元服从弹脆塑性本构关系。利用该方法对含有2或3条裂纹的岩石试件进行单轴压缩破裂过程模拟，再现裂纹起裂、扩展和搭接全过程的实验现象。结果表明，预制裂纹的倾角和岩桥倾角对裂纹的扩展和搭接有重要的影响。同时，考虑基质材料力学属性的差异，研究基质元胞单元力学性质的随机空间分布和不同的内摩擦角等情况下的裂纹扩展模式，结果表明，裂纹的扩展和搭接路径强烈依赖于材料的力学属性，从机制上解释了室内实验中裂纹扩展路径离散性的原因。     

基于中主应力的岩石统计损伤软化模型参数研究

岩石本构关系问题一直是岩石力学研究的重点问题,基于损伤力学理论,假设岩石的损伤变量分别服从幂函数分布与正态分布,建立考虑中主应力影响的模型,总结参数规律。通过两种分布函数所建立的岩石统计损伤软化本构模型与试验结果对比,以及分析损伤变量D的数值变化探讨模型适用性,研究表明:建立的模型曲线均能够较为理想地与实验曲线吻合,与岩石材料的力学性质基本吻合。而正态分布函数模型较幂函数分布模型的损伤变量D演化趋势更为合理。     

岩石破裂过程分析系统并行计算方法研究

岩石工程灾害与岩石破裂过程失稳密切相关。大型岩石工程破裂过程数值分析需要高效、准确、强大的计算能力支持。一般传统串行计算方法难以满足要求，大规模并行计算是解决这一难题的有效途径。岩石破裂过程分析系统是研究岩石破裂过程的一个重要数值分析工具。代有限元方法和数值计算方法，在消息传递并行环境下，在岩石破裂过程分析系统串行单机版的基础上，结合现利用区域分解和主从编程模式，采用分布存储稀疏线性迭代并行求解方法，在Linux机群上实现应力分析模块中有限元计算的并行处理。通过Windows和Linux协调处理策略，有效地把原有的前后处理功能和机群系统强大的计算能力结合起来，建立岩石破裂过程分析RFPA^3D．Parallel并行分析系统。算例结果表明，并行程序具有很高的加速比和并行效率，能够快速完成三维条件下300万单元的大规模岩石破裂过程分析。应用RFPA^3D-Parallel并行分析系统模拟地壳介质中广泛存在的龟裂现象，再现非均匀介质破坏和裂纹演化过程，从而显示该系统广泛的应用前景。     

节理岩体裂隙扩展过程一种新改进的弹脆性模拟方法及应用

通过改进原有的FLAC3D本构关系为弹脆性本构,并采用超细单元划分法,模拟和研究双裂隙岩石试件在单轴、双轴加载作用下的破坏过程.数值计算结果与前人试验所得到的相应结果具有良好的一致性.用此方法还模拟了4条2组不同倾向裂隙的破裂过程和椭圆形三维单裂隙的扩展过程,且三维数值模拟结果与前人试验也有很好一致性.最后,将该模型引入到某边坡开挖工程的裂隙扩展过程研究和稳定性分析中,取得较好效果.     

细观介质拉压比对岩石破坏过程的影响

通过应用岩石破裂过程分析系统RFPA^2D，模拟了不同细观单元拉压比的岩石试件在单轴压缩试验下的破坏过程，分析了细观介质拉压比对岩石破坏过程中的力学行为和破坏机理的影响。结果表明，随着拉压比的提高，岩石的整体抗拉强度和残余强度逐渐降低，同时岩石的宏观破坏形式也由剪切破坏向拉伸破坏转变。当拉压比低于某一确定值时，拉压比对岩石的变形行为影响很小。     

荷载和水压力作用下岩石裂纹贯通过程的数值模拟研究

应用自主开发的数值模拟系统F-RFPA^2D，研究荷载和水压力作用下岩石裂纹和内部缺陷结构相互作用下的贯通过程，内容包括岩石应力应变过程中，不同裂纹扩展阶段的渗透率演化规律，水压力对裂纹扩展模式和峰值强度的影响，岩石内部缺陷结构对裂纹贯通模式的影响等。结果表明，水压力和缺陷结构分布的非均匀性对岩石的应力峰值强度、峰值前后渗透性演化规律及裂纹贯通机制影响十分明显。     

岩石含损伤本构模型和地下爆炸效应研究

通过对岩石变形和破坏机理的深入研究，建立了岩石类材料宏观，细观相结合的含损伤本构模型。并在此基础上开展地下爆炸效应和波传播规律的研究，分析了本构模型及其参数对地下强爆炸引起的岩石动力响应和爆炸波传播规律的影响，为提高准确预测地下岩石中强爆炸激发的震震源的能力提供合适的计算方法和理论依据。首先对岩石类脆性材料本构模型和地下爆炸效应的研究进展进行了较为全面，系统在回顾和总结，对现有的各种动态损伤模型进行了比较和评述，并对当前的研究热点及趋势作了讨论，在此基础上，得到了解决本课题理论难点的思路和方法。采用Taylor方法，对Margolin的理论进行改进，考虑了不同应力状态下微裂纹的张开，闭合及裂纹面摩擦对裂纹体材料性质的影响，获得了轴对称应力条件下考虑摩擦的附加应变的各种解析表达式。针对工程需要进行简化，得到了不同应力状态下的有效模量，建立了含微裂纹损伤的本构模型。通过数值计算，研究了不同的应力状态，围压以及微裂纹面上的摩擦对材料力学性能的影响，得出一些有意义的结果和规律。以热力学理论和本构理论为基础，计入了微孔洞和微裂纹对材料力学性能的影响，建立了一种改进的岩石类材料含损伤弹性本构模型，首次从热力学势函数和微裂纹统计平均方法出发，提出了同时考虑微孔洞和微裂纹影响的增量型应力-应变关系，基于实验结果，针对岩石硬化，软化和破坏等不同阶段的细观损伤机理和宏观变形特点，给出了具有不同函数形式的屈服面表达式。采用非相关流动法则，对Rubin模型加以简化并结合Griffith准则，分别建立了岩石类材料的塑性流动律以及微孔洞和微裂纹损伤的演化律，采用建立的含损伤本构模型成功地拟合了花岗岩三轴压缩试验数据，并获得了模型中的材料参数。运用有限差分法研究了脉冲载荷下岩石介质中一维应变波的传播规律，着重分析了本构模型及其参数对一维应变波在岩石类损伤软化介质中演化规律的影响，并通过两种模型（弹塑性模型和含损伤弹塑性模型）的对比分析，提示了岩石类脆性材料中应力波传播的主要特点。基于一维有限差分程序，嵌入改进的动态本构模型，对封闭式地下强爆炸开展数值模拟研究。着重分析了本构模型及其参数对地下强爆炸引起的岩石动力响应和爆炸波传播规律的影响，数值计算获得的速度和压力峰值衰减，位移和速度波形、爆炸空腔，震源函数等物理量，与国外地下试验及数值模拟结果十分接近，进一步验证了本构模型的有效性，从而提高了预测地下岩石中强爆炸激发的地震震源的能力，为空腔解耦研究打下基础，据作者所知，目前，国内这方面的工作尚未见到有类似的研究结果。     

Numerical simulation of Brazilian disk rock failure under static and dynamic loading

A numerical simulator based on RFPA (Rock Failure Process Analysis) is used to study the deformation and failure process of a Brazilian disk of heterogeneous rock when subjected to static and dynamic loading conditions. In this simulator, the heterogeneity of rock is considered by assuming that the material properties of elements conform to a Weibull distribution; an elastic damage-based law that considers the strain-rate dependency is used to describe the constitutive law at mesoscopic scale; and a finite element program is employed as a basic stress analysis tool. The simulator is firstly validated by simulating the dynamic spalling of a homogeneous rock bar and by comparing with the theoretical and experimental results. Then, the failure process of a Brazilian disk of rock subjected to static and dynamic loading is numerically simulated, and the numerical results are compared with the available experimental results. Particular attention is given to the typical failure patterns of the rock disk when the incident compressive stress waves with different amplitudes are applied. The numerical simulation also identifies the failure mechanisms of rock during dynamic failure processes that are closely related to the propagation of the stress wave.     

非均匀性岩石破坏过程的三维损伤软化模型与数值模拟

通过建立岩石三维细观损伤软化力学模型,结合统计技术考虑岩石细观非均匀性,编制了岩石破裂过程分析软件RFPA3D,模拟了单轴压缩下不同细观残余强度下的三维应力场变形场分布以及破坏形态,分析了细观结构非均匀性和残余强度对岩石损伤软化过程和宏观力学性能的影响。结果表明,岩石损伤破裂过程中应力–应变关系、残余变形特征和峰值强度不仅与结构相关,而且与细观损伤软化模型、细观非均匀性和残余强度紧密相关。     

Applications of rock failure process analysis （RFPA） method

Brittle failure of rocks is a classical rock mechanical problem.Rock failure not only involves initiation and propagation of single crack,but also is associated with initiation,propagation and coalescence of many cracks.The rock failure process analysis(RFPA)tool has been proposed since 1995.The heterogeneity of rocks at a mesoscopic level is considered by assuming that the material properties follow the Weibull distribution.Elastic damage mechanics is used for describing the constitutive law of the meso-le...     

岩石介质细观非均匀性对宏观破裂过程的影响

运用岩石破裂过程分析系统 ,研究了岩石介质非均匀性对宏观力学行为的影响。通过对均质度系数m =1.5的 10个样本破裂过程的模拟 ,发现样本的宏观力学行为在变形初期只有微弱的统计涨落 ,但在失稳阶段表现出显著的样本个性行为。对 8种不同均质度系数的 80个样本破裂过程的模拟结果表明 ,岩石介质的非均匀性对岩样宏观强度和变形非线性行为有显著影响 ,而且也显著影响试样破裂模式。随着均质度系数的提高 ,宏观强度呈现指数规律上升 ,宏观变形的线性规律增强 ,主破裂呈脆断模式。     

含不连续面巷道的动力破坏过程数值分析

利用新近开发的动态版岩石破裂过程分析系统RFPA2D模拟了动力扰动下含不连续面巷道的破坏过程,从细观角度分析了不同宽度不连续面的岩石巷道在动力扰动下破坏的规律,并和未含不连续面巷道结构的相应情况进行比较,探讨了含不连续面巷道结构在动载荷作用下的力学特性,结果表明不连续面对应力波衰减作用明显,对巷道的稳定与破坏影响较大.     

Damage smear method for rock failure process analysis

Damage smear method(DSM) is adopted to study trans-scale progressive rock failure process,based on statistical meso-damage model and finite element solver.The statistical approach is utilized to reflect the mesoscopic rock heterogeneity.The constitutive law of representative volume element(RVE) is established according to continuum damage mechanics in which double-damage criterion is considered.The damage evolution and accumulation of RVEs are used to reveal the macroscopic rock failure characteristics.Each single RVE will be represented by one unique element.The initiation,propagation and coalescence of meso-to macro-cracks are captured by smearing failed elements.The above ideas are formulated into the framework of the DSM and programed into self-developed rock failure process analysis(RFPA) software.Two laboratory-scale examples are conducted and the well-known engineering-scale tests,i.e.Atomic Energy of Canada Limited's(AECL's) Underground Research Laboratory(URL)tests,are used for verification.It shows that the simulation results match with other experimental results and field observations.     

岩土工程稳定性分析RFPA强度折减法

将强度折减法的基本原理引入到岩石破裂过程分析RFPA方法中，建立RFPA—SRM岩土工程稳定性强度折减分析方法。该方法以有限元方法作为应力分析工具，不仅满足静力平衡、应变相容，且充分考虑材料的细观非均匀特性，并秉承RFPA方法的破坏过程分析优势，能够反映岩土结构随强度劣化而呈现出渐进破坏诱致失稳的演化过程。以岩土工程中的边坡为例，阐述RFPA-SRM方法在边坡稳定性分析中的应用。利用RFPA—SRM方法进行边坡稳定性分析时，不需对滑动面做任何预先假定，对复杂地质地貌的边坡稳定性分析是实用的；同时以基元的破坏次数统计作为边坡的失稳判据，不仅可直观地得到坡体的滑移破坏面，还可求得安全系数，为边坡的稳定性研究提供一种新的便捷、有效方法。特别是RFPA-SRM对边坡破裂过程的模拟对于理解边坡的破坏形成机制具有重要意义，更有利于从边坡失稳的源头入手指导边坡防护设计。最后对RFPA-SRM方法在一连拱分叉隧道安全设计中的应用进行探讨，得到该隧道结构的安全系数及潜在破坏模式，表明RFPA-SRM方法同样适合其他岩土结构稳定分析。     

大理岩三点弯曲梁弹塑性损伤破坏研究

在应变空间内,推导出弹塑性损伤增量本构方程,通过自编程序实现该本构方程,同时将此程序实现了并行算法;建立了三点弯曲梁二维及三维细观尺度数值试样,分别进行相应地弹塑性损伤破坏数值模拟,作了相应的对比分析,在数值模拟中,提出破坏单元网格消去法,模拟裂纹扩展。研究发现:数值试验同物理试验较吻合,且与理论分析是一致的;由于三维试样细观单元的非线性比二维在空间上更为离散,由三维细观单元弹塑性损伤非线性反映宏观试样的非线性,更能深入地研究细观破坏机理;提出的破坏单元网格消去法为有限元清晰模拟裂纹开辟了新的途径;并行算法程序的实现为应用于大型三维水利水电工程奠定了基础。