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分段黏结非连续变形分析方法及其在砂岩破裂分析中的应用
深部采煤面临高地温、高地压、高岩溶水压及开采扰动的综合影响,岩石的非连续变形及破裂行为也比浅部更为复杂,开发模拟岩石破裂行为的数值计算方法,进行从实验室尺度到工程现场尺度的分析是研究岩石破裂相关灾害规律和机理的重要手段。非连续变形分析方法(Discontinuous Deformation Analysis,DDA)在接触理论、块体积分、计算收敛中具有严格的数学基础,采用子块体剖分和黏结处理的DDA模型可以有效模拟岩石及裂隙岩体从连续弹性变形到渐进断裂和完全破断的全过程。基于边−边黏结效应分段线性表征的朴素思想,提出分段式边−边黏结模型,将线性及非线性黏结本构关系通过分段中心点处的成对罚弹簧进行等效表征,嵌入三角形剖分的非连续变形分析求解框架内,实现模拟岩石断裂的优化DDA模型。
通过简支梁中心受压、单轴压缩、巴西劈裂案例的变形、应力结果分析,验证了优化模型的准确性,获得了边−边黏结模型中分段数目、黏结刚度比、切向法向刚度比等参数的合理取值范围;通过完整及带孔洞的砂岩试样的单轴压缩试验,阐明了块体弹性模量、泊松比等变形参数及黏结单元抗拉强度、黏聚力、内摩擦角等强度参数的赋值方法,验证了优化模型在应力−应变曲线,裂纹起裂位置捕获的准确性;通过含单裂隙及组合裂隙的砂岩巴西圆盘劈裂试验的分析,验证了优化模型在裂纹起裂、裂纹扩展、多裂纹交汇等复杂裂隙扩展问题中的适用性;采用分段式边−边黏结的优化模型可推广用于包含复杂裂隙网络的岩体破坏规律和机理的分析。
图 1 分段式黏结模型
图 2 不同块体尺寸的简支梁模型
图 3 简支梁监测点的垂直位移与相对误差
图 4 不同块体尺寸单轴压缩模型
图 5 单轴压缩监测点的轴向应力与相对误差
图 6 巴西劈裂模型
图 7 巴西劈裂监测点应力与相对误差
图 8 含孔洞岩样数值模型
图 9 完整岩样实验与模拟应力应变曲线对比
图 10 应力应变曲线对比
图 11 单裂纹巴西圆盘模型及其裂纹萌生和破坏模式
图 12 含有多条裂纹的巴西圆盘及其裂纹萌生和破坏模式
郑飞,男,1990年1月生,山东邹平人,教授,博士生导师。中国地质大学(武汉)土木工程学科骨干人才,兼任国际岩石力学与岩石工程学会非连续变形分析专委会(ISRM DDA Commission)秘书长。主持国家自然科学基金项目2项、智慧矿山地质保障系统建设及轨道交通地质云系统建设项目2项,作为骨干参与德国洪堡基金会、国家自然科学基金、武汉市轨道交通等多项海内外科研项目。独立开发DDA、DEM、NMM相关计算岩土力学软件模块,发表国内外期刊及会议论文20余篇。
研究方向
裂隙岩体多场耦合非连续计算方法、地下工程数据分析挖掘及三维可视化技术
主要成果
围绕岩体的非连续变形破坏机制这一科学问题,针对岩体非连续计算模拟中的块体接触检索与求解、算法效率及计算规模、水-力耦合及岩体渐进破坏系列难点,提出了复杂块体鲁棒性接触检索与精确接触力求解方法、离散块体系统高效求解算法与云计算体系、裂隙岩体水力耦合及渐进破裂分析模型,自主开发了计算软件,解决了接触检索不完备、计算效率偏低、计算规模较小的问题,为非连续变形分析方法在复杂岩体工程安全分析中的应用提供理论和技术支撑。
来源:
郑飞,邓庆龙,李芷,等. 分段黏结非连续变形分析方法及其在砂岩破裂分析中的应用[J]. 煤炭学报,2023,48(9):3372−3383.