三维岩样单轴压缩自由面剪应变率及位移分布数值模拟

以往FLAC对岩样变形、破坏进行数值模拟主要是针对平面应变二维问题,离三维岩样单轴压缩的试验条件还有不少差距。因此,本文采用FLAC-3D研究了三维岩样在单轴压缩及强烈端面约束条件下,自由面的剪切应变率、离面位移及面内位移的分布及演变规律,研究了自由面垂直对称轴上定点位移随时步的演变规律。在应力峰值之前及之后,本构模型分别取为线弹性及莫尔–库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。计算表明:在应力–时步曲线的应力峰值之前,自由面上的剪切应变率由均匀向不均匀分布转变;在应变软化阶段,试样的变形由对称性向非对称性转变。通过分析各个自由面的剪切带图案发现,在试样内部形成了两个空间剪切带,其中一个更占优势。在试样变形的对称性丧失之前,三维离面及面内位移曲面是光滑的、平坦的;在对称性丧失之后,三维曲面已变得凹凸不平了。在剪切带的位置,面内位移有显著的改变。自由面垂直对称轴上的离面位移在应力–时步曲线应力峰值之前发生了分离,而水平及垂直位移–时步曲线转折于应力峰值稍后或应变软化阶段。从离面位移易于识别出试样破坏的前兆。此外,在应变软化阶段,随着时步的增加,还观测到了离面位移的三种不同的变化规律:基本保持不变、增加及降低(反弹)。     

加载速度对随机缺陷岩样破坏过程的影响

在单轴平面应变压缩条件下,采用FLAC模拟加载速度对具有随机材料缺陷岩样破坏过程的影响。采用编写的FISH函数规定随机缺陷及统计发生破坏的单元数。密实岩石服从莫尔–库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化–理想塑性行为。缺陷破坏之后经历理想塑性行为。随着加载速度的提高,强度及其对应的应变提高,峰后应力–变形曲线变得平缓。在加载过程中,每10个时步内破坏单元数–轴向应变曲线中存在破坏单元数有显著增加的3个区段。随着加载速度的提高,该曲线的区段2及3变得开阔,区段2的峰值降低,区段3的峰值提高。在初始加载阶段和缺陷全部破坏之前,加载速度较高时的破坏单元总数–轴向应变曲线比较平缓,这是由于加载速度较高时试样内部的裂隙传播和应力转移不充分,当应变小于一定值时,在应变相同时,破坏单元数较少。破坏单元总数–应变曲线表明,随着加载速度的提高,试样最终遭受到更严重的破坏。     

岩样单轴拉伸应变局部化及全程应力-应变曲线

基于梯度塑性理论，考虑了应变局部化，提出单轴拉伸条件下岩样全程应力一应变曲线解析解。沿试样长度方向的总应变的微分被认为由两部分构成：可恢复的弹性应变的微分和不可恢复的塑性应变的微分。根据虎克定律，弹性应变的微分依赖于应力的微分及弹性模量。塑性应变的微分与应力的微分、试样高度、软化模量及局部化带的厚度有关，局部化带的厚度由梯度塑性理论确定。根据总应变的微分等于弹性及塑性应变的微分之和这一假设，在峰后线性应变软化本构关系的情形下，得到全程应力一应变曲线的解析解。通过与DeBorst及Muhlhaus基于梯度塑性理论得到的数值解对比，分别验证局部化带内部塑性应变分布解析解及内部长度对全程应力-应变曲线的影响。研究有关的本构参数（弹性模量及软化模量）及试样高度对全程应力-应变曲线的影响。     

岩层运动并行计算系统StrataKing及应用

为了克服国外串行商业软件的功能有限、计算规模小和计算效率低的问题，历时10余年，自主研发了拉格朗日元与离散元耦合的岩层运动GPU并行计算系统StrataKing。介绍了Strata-King的计算流程、基本原理和功能，各计算模块均在GPU上执行。通过模拟三点弯梁的开裂过程，检验了StrataKing的正确性。在静水压力条件下，当单元数目较多时，巷道围岩的裂纹以更加弯曲、柔美而非突兀、生硬状向围岩深部发展，这与塑性力学中圆环形的各处均破坏的塑性区有所不同。在采动条件下，工作面煤壁超前支承压力和水平应力均具有峰值，后者与岩层之间的黏结作用有关，这与基于连续介质假定的厚壁筒径向应力特征有所不同。由此，StrataKing的大规模计算能力、丰富的功能和行业鲜明特色得到了进一步呈现。