彈脆性鍵元胞模型及其在巖石動態(tài)斷裂模擬中的應用.pdf

1、離散化虛內鍵模型(DVIB)是一種新型的格子模型，其離散結構由鍵元胞組成，每個鍵元胞可以代表一個礦物顆粒，因而它能再現巖石細觀結構特征。本文以DVIB為基本力學模型，首先對巖石進行理論建模，然后再通過數值模擬的手段對應力波引起的巖石層裂問題及爆破荷載作用下的巖石破裂問題進行研究，發(fā)現其中的一些基本規(guī)律。
　　巖石是典型的彈脆性材料。為了再現這種彈脆性特征，提出了廣義彈脆性Stillinger-Weber勢函數。該勢函數認為鍵元胞中

2、每條鍵的能量不僅與鍵本身的變形有關，還和與其它鍵所形成的鍵角相關。當鍵的變形超過一定值時，該鍵即發(fā)生斷裂。在斷裂之前鍵是線彈性的。而鍵角是否存在抗力決定于兩個因素。其一是鍵角本身的變化，當鍵角的變化超過一定值時鍵角即失去抗力。在鍵角失去抗力前，鍵角抗力與鍵角變化成線性關系。其二是構成鍵角的兩條鍵的狀態(tài)。當其中的一條鍵發(fā)生斷裂時，鍵角即失去抗力。采用該彈脆性勢函數描述DVIB中鍵元胞能量，可再現巖石彈脆性特征，同時也可再現不同泊松比。數值

3、模擬表明，這種基于彈脆性SW勢函數的DVIB可以準確地模擬應力波在巖石中傳播過程，并且能夠模擬巖石在沖擊荷載作用下由應力波引起的巖石層裂過程。研究結果進一步表明，巖石的彈性模量對層裂有著重要的影響。在堅硬巖石中會產生明顯的層裂現象，而在軟巖中則不能。相較于巖石模量，非均質性對層裂的影響比較小。
　　一般巷道圍巖中含有淺層節(jié)理，為了探究這些淺層節(jié)理對巖石層裂的影響，從而為了更好地控制圍巖失穩(wěn)，采用本模型對該問題進行了數值模擬研究。以

4、不含淺層節(jié)理的巖石層裂位置作為參考位置，研究結果表明，當淺層水平節(jié)理處于參考位置以內時，對層裂基本沒有影響。而當水平節(jié)理處于參考位置以外時，對層裂影響顯著，水平節(jié)理會被拉開、擴展，同時在參考位置會產生拉裂，擴展的水平節(jié)理與參考層裂位置處的裂紋發(fā)生匯合。當斜裂紋位于參考層裂位置外部時，對層裂模式影響較小。當斜裂紋位于內部和跨越參考層裂位置時，對層裂模式影響較大。對于內斜裂紋情形，不但在參考位置處發(fā)生層裂現象，而且內斜裂紋本身也發(fā)生擴展至自

5、由面，與層裂裂紋一同將表層巖體切割成巖塊并沿斜裂紋方向彈出?？缭叫绷鸭y層裂破壞與內斜裂紋基本相同，但在參考位置以內，還產生了平行于跨越斜裂紋的衍生裂紋。
　　裂尖材料的超彈性對動態(tài)斷裂起著控制作用，為了再現巖石裂尖材料這種超彈性，在彈脆性SW勢函數基礎上又做了進一步改進，鍵在斷裂之前應用超彈性勢函數來描述，當鍵變形超過一定值時，鍵即刻發(fā)生斷裂。并以此模型為基礎對巖石巖石爆破斷裂過程進行了模擬。為了再現氣體壓力，采用JWL方程描述爆