基于离散元平直节理接触模型灰岩微裂纹扩展研究
发布时间：2021-03-28 07:32
岩溶地区在我国广泛分布,岩溶塌陷在我国隐伏的岩溶区发育强烈,每年都造成大量的经济损失以及重大的人员伤亡事故,从而严重影响了人们的生产活动。岩溶发育需要存在可溶性岩石和具有溶蚀力的水,以及水的循环交替作用。岩溶作用包括水对可溶性岩石产生的化学溶蚀,以及水的机械侵蚀和崩塌作用,还有对物质的携出、转移和再沉积,因此岩溶作用是一个相对复杂的物理和化学变化过程。灰岩是常见的可溶性岩石,研究其微裂纹扩展特点是理解岩溶发育这一复杂过程的基本要求。岩石是具有不均匀性和各向异性的非连续体,所以对岩石破裂问题的研究,基于连续介质理论所进行的数值分析方法及理论分析都存在一定的局限性。因此,本文以某地区的灰岩为例,基于离散元理论分析岩石断裂问题,即借助PFC3D数值分析工具,建立灰岩的三维离散元颗粒流模型,以探究脆性岩石材料微裂纹扩展的相关规律,具体的研究工作如下:（1）基于平直节理接触,建立灰岩的三维颗粒流模型。本文通过对灰岩试样的宏观物理力学属性与模型的相关细观参数之间关系的研究,建立起一个能够准确反映岩石的弹性模量、单轴抗压强度和抗拉强度的三维颗粒流模型;（2）建立含中心预置单裂隙...
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：128 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PFC颗粒流模型运算
华南理工大学硕士学位论文16簇。clump是刚性簇，由一系列圆盘或者球形颗粒作为基本单元组合而成，在任何条件下，内部的基本单元不产生相对变形，自始至终都是一个整体，从而呈现出刚性颗粒运动。而cluster是柔性簇，同样是通过若干圆盘或者球形颗粒叠合而成，但内部基本单元是由具有一定强度特性的接触通过相互黏结而成，在外力足够的条件下，整体会发生破碎，表现出柔性特征。图2-1颗粒簇示意图研究表明[51]，由于使用了外型更为凹凸不平的clump或者cluster取代部分的颗粒单元，提高了模型当中不规则颗粒的总体占比，整体上增强了颗粒之间的互锁效应，最终与试验中的压拉强度比成功匹配，但是这种方法只能在二维中实现，在使用PFC3D时，压拉强度比值依然达不到10以上。此外，这种使用了clump或cluster的模型会使得运算耗时大大增加，在一定程度上只适合计算颗粒数量较小的模型，并且对岩石破裂模式也发生很大的影响，尤其是clump刚性簇出现无法破裂的问题。2.1.2修改接触黏结条件通过对岩石的平行黏结模型进行部分的“黏结解除”，可以获得相对较低的岩石抗拉强度[52,53]。平行黏结模型相当于由两个接触组合而成——线性接触和黏结接触。部分接触的黏结被解除后，就转变成线性接触，如图2-2中颗粒之间的接触点所示。通过相关代码指令在模型当中的随机位置上消除一定量的黏结接触部分，这相当于使试样模型在进行破坏模拟之前预置了肉眼无法分辨的微裂纹，比较符合实验室物理试验所制作的岩样的真实情况。同时，因为消除了部分黏结接触，进而提高了线性接触的比例，而由于线性接触部分不承受张拉力和弯矩，而黏结接触部分是模型抗拉响应的主
第二章灰岩三维颗粒流数值模型参数分析17要来源，最后使得岩石压拉强度比值有所提升[53]。图2-2黏结解除示意图虽然数值模拟结果证明了黏结接触对岩石抗拉强度所产生的影响要大于对自身抗压强度的影响，无黏结的接触可以承受部分压力而不能承受任何拉力（降低黏结接触比例后压拉强度比值稍有提高），但模拟结果表明该方法仍然不能将岩石的压拉强度比值达到室内试验中比较理想的效果，并且抗压强度也比物理试验值低。再者，有关基于此方法所建立的模型是否能够模拟岩石裂纹扩展的微细观现象仍然未得到证实。2.1.3修改接触黏结模型一些学者通过修改黏结接触模型的本构关系来解决压拉强度比值过低的问题。Potyondy[54]认为由于传统的黏结接触模型将接触上的力矩通过梁弯曲理论而完全转化为应力，从而造成了接触所受到的应力过大，因此而引入力矩应力贡献系数（MomentContributionFactor），如下图2-3所示。在0~1范围内取值，默认状态下取1，如下式(2-1)所示。图2-3黏结接触的梁弯曲理论示意nbFMRAI=+(2-1)
【参考文献】：
期刊论文
[1]岩石单轴压缩PFC2D模型细观参数标定研究[J]. 陈鹏宇,孔莹,余宏明. 地下空间与工程学报. 2018(05)
[2]基于正交试验的岩石细观力学参数数值研究[J]. 刘相如,杨圣奇. 应用基础与工程科学学报. 2018(04)
[3]岩石巴西圆盘复合型断裂力学特征及空间效应研究[J]. 李列列,卓莉,邵江,肖明砾,谢红强. 工程科学与技术. 2017(S1)
[4]基于Flatjoint接触模型的岩石单轴压缩和巴西劈裂颗粒流模拟研究[J]. 刘富有,陈鹏宇,余宏明. 长江科学院院报. 2016(09)
[5]基于PFC3D的岩石单轴压缩变形破坏特征分析[J]. 陶建明,熊承仁,温韬,胡桂林,谢放. 人民长江. 2016(13)
[6]基于细观特征分析的单节理岩石破裂机理研究[J]. 柴金飞,高永涛,吴顺川,周喻,高艳华,郭超. 采矿与安全工程学报. 2016(03)
[7]岩石巴西劈裂强度与裂纹扩展颗粒尺寸效应研究[J]. 黄彦华,杨圣奇,鞠杨,周小平,赵坚. 中南大学学报(自然科学版). 2016(04)
[8]岩石细观结构及参数对宏观力学特性及破坏演化的影响[J]. 张国凯,李海波,夏祥,李俊如,李晓锋,宋涛. 岩石力学与工程学报. 2016(07)
[9]319国道重庆段裸洞隧道灰岩力学特性试验研究[J]. 赵宝云,郑颖人,刘元雪,王平. 实验力学. 2015(04)
[10]Particle flow study on strength and meso-mechanism of Brazilian splitting test for jointed rock mass[J]. Sheng-Qi Yang,Yan-Hua Huang. Acta Mechanica Sinica. 2014(04)
博士论文
[1]节理煤体模型重构及其力学响应特征研究[D]. 王晓卿.中国矿业大学(北京) 2017
硕士论文
[1]节理岩体各向异性及其强度特征分析[D]. 呼志明.北京交通大学 2015
[2]巢北地区二叠系、三叠系碳酸盐岩方解石脉的微观特征与裂缝活动关系研究[D]. 佟昕.中国石油大学(华东) 2015
[3]基于离散元方法的颚式破碎机内物料破碎行为研究[D]. 岳耀程.太原理工大学 2014
本文编号：3105140
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：128 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PFC颗粒流模型运算
华南理工大学硕士学位论文16簇。clump是刚性簇，由一系列圆盘或者球形颗粒作为基本单元组合而成，在任何条件下，内部的基本单元不产生相对变形，自始至终都是一个整体，从而呈现出刚性颗粒运动。而cluster是柔性簇，同样是通过若干圆盘或者球形颗粒叠合而成，但内部基本单元是由具有一定强度特性的接触通过相互黏结而成，在外力足够的条件下，整体会发生破碎，表现出柔性特征。图2-1颗粒簇示意图研究表明[51]，由于使用了外型更为凹凸不平的clump或者cluster取代部分的颗粒单元，提高了模型当中不规则颗粒的总体占比，整体上增强了颗粒之间的互锁效应，最终与试验中的压拉强度比成功匹配，但是这种方法只能在二维中实现，在使用PFC3D时，压拉强度比值依然达不到10以上。此外，这种使用了clump或cluster的模型会使得运算耗时大大增加，在一定程度上只适合计算颗粒数量较小的模型，并且对岩石破裂模式也发生很大的影响，尤其是clump刚性簇出现无法破裂的问题。2.1.2修改接触黏结条件通过对岩石的平行黏结模型进行部分的“黏结解除”，可以获得相对较低的岩石抗拉强度[52,53]。平行黏结模型相当于由两个接触组合而成——线性接触和黏结接触。部分接触的黏结被解除后，就转变成线性接触，如图2-2中颗粒之间的接触点所示。通过相关代码指令在模型当中的随机位置上消除一定量的黏结接触部分，这相当于使试样模型在进行破坏模拟之前预置了肉眼无法分辨的微裂纹，比较符合实验室物理试验所制作的岩样的真实情况。同时，因为消除了部分黏结接触，进而提高了线性接触的比例，而由于线性接触部分不承受张拉力和弯矩，而黏结接触部分是模型抗拉响应的主
第二章灰岩三维颗粒流数值模型参数分析17要来源，最后使得岩石压拉强度比值有所提升[53]。图2-2黏结解除示意图虽然数值模拟结果证明了黏结接触对岩石抗拉强度所产生的影响要大于对自身抗压强度的影响，无黏结的接触可以承受部分压力而不能承受任何拉力（降低黏结接触比例后压拉强度比值稍有提高），但模拟结果表明该方法仍然不能将岩石的压拉强度比值达到室内试验中比较理想的效果，并且抗压强度也比物理试验值低。再者，有关基于此方法所建立的模型是否能够模拟岩石裂纹扩展的微细观现象仍然未得到证实。2.1.3修改接触黏结模型一些学者通过修改黏结接触模型的本构关系来解决压拉强度比值过低的问题。Potyondy[54]认为由于传统的黏结接触模型将接触上的力矩通过梁弯曲理论而完全转化为应力，从而造成了接触所受到的应力过大，因此而引入力矩应力贡献系数（MomentContributionFactor），如下图2-3所示。在0~1范围内取值，默认状态下取1，如下式(2-1)所示。图2-3黏结接触的梁弯曲理论示意nbFMRAI=+(2-1)
【参考文献】：
期刊论文
[1]岩石单轴压缩PFC2D模型细观参数标定研究[J]. 陈鹏宇,孔莹,余宏明. 地下空间与工程学报. 2018(05)
[2]基于正交试验的岩石细观力学参数数值研究[J]. 刘相如,杨圣奇. 应用基础与工程科学学报. 2018(04)
[3]岩石巴西圆盘复合型断裂力学特征及空间效应研究[J]. 李列列,卓莉,邵江,肖明砾,谢红强. 工程科学与技术. 2017(S1)
[4]基于Flatjoint接触模型的岩石单轴压缩和巴西劈裂颗粒流模拟研究[J]. 刘富有,陈鹏宇,余宏明. 长江科学院院报. 2016(09)
[5]基于PFC3D的岩石单轴压缩变形破坏特征分析[J]. 陶建明,熊承仁,温韬,胡桂林,谢放. 人民长江. 2016(13)
[6]基于细观特征分析的单节理岩石破裂机理研究[J]. 柴金飞,高永涛,吴顺川,周喻,高艳华,郭超. 采矿与安全工程学报. 2016(03)
[7]岩石巴西劈裂强度与裂纹扩展颗粒尺寸效应研究[J]. 黄彦华,杨圣奇,鞠杨,周小平,赵坚. 中南大学学报(自然科学版). 2016(04)
[8]岩石细观结构及参数对宏观力学特性及破坏演化的影响[J]. 张国凯,李海波,夏祥,李俊如,李晓锋,宋涛. 岩石力学与工程学报. 2016(07)
[9]319国道重庆段裸洞隧道灰岩力学特性试验研究[J]. 赵宝云,郑颖人,刘元雪,王平. 实验力学. 2015(04)
[10]Particle flow study on strength and meso-mechanism of Brazilian splitting test for jointed rock mass[J]. Sheng-Qi Yang,Yan-Hua Huang. Acta Mechanica Sinica. 2014(04)
博士论文
[1]节理煤体模型重构及其力学响应特征研究[D]. 王晓卿.中国矿业大学(北京) 2017
硕士论文
[1]节理岩体各向异性及其强度特征分析[D]. 呼志明.北京交通大学 2015
[2]巢北地区二叠系、三叠系碳酸盐岩方解石脉的微观特征与裂缝活动关系研究[D]. 佟昕.中国石油大学(华东) 2015
[3]基于离散元方法的颚式破碎机内物料破碎行为研究[D]. 岳耀程.太原理工大学 2014
本文编号：3105140
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