节理岩体变形与强度特征的三维数值模拟.docx

节理岩体变形与强度特征的三维数值模拟
摘要
节理岩体的变形和强度特征是岩石力学和工程地质学研究的重要课题。本文利用三维数值模拟方法，对节理岩体的变形和强度特征进行了研究。首先，模拟了不同尺寸的节理岩样本的形成过程，并分析了节理参数对节理岩体变形和强度的影响。其次，通过模拟不同荷载下节理岩体的应力分布，研究了不同节理参数对节理岩体的破坏模式和破坏强度的影响。研究结果表明，节理参数是影响节理岩体变形和强度的重要因素，而节理角度和间距是决定节理岩体破坏模式和破坏强度的关键因素。
关键词：节理岩体；三维数值模拟；变形特征；强度特征；节理参数
Introduction
节理岩是指在岩石中具有较为明显的节理面的岩体，也是一类重要的地质灾害体。在地质工程领域，研究节理岩体的变形和强度特征对于工程设计和施工安全至关重要。然而，由于节理面呈现规则或者不规则的几何形态，其研究难度较大。因此，在研究节理岩体变形和强度特征方面，数值模拟成为一种重要的方法。
目前，节理岩体数值模拟领域广泛采用三维数值模拟方法。该方法能够模拟节理岩体的复杂几何形态以及在不同荷载下的应力分布情况。目前，已有一些研究对节理岩体变形和强度特征进行了三维数值模拟研究。例如，梁元华等人采用三维离散元方法，研究了节理岩体在不同应力条件下的变形和破坏形态（梁元华等，2018）；杨荣元等人采用三维有限元方法，研究了不同节理参数对节理岩体破坏强度的影响（杨荣元等，2019）。
本文利用三维数值模拟方法，对节理岩体的变形和强度特征进行了研究。首先，模拟了不同尺寸的节理岩样本的形成过程，并分析了节理参数对节理岩体变形和强度的影响。其次，通过模拟不同荷载下节理岩体的应力分布，研究了不同节理参数对节理岩体的破坏模式和破坏强度的影响。研究结果表明，节理参数是影响节理岩体变形和强度的重要因素，而节理角度和间距是决定节理岩体破坏模式和破坏强度的关键因素。
MaterialsandMethods
2.1SampleGeneration
本文采用三维数值模拟方法研究节理岩体的变形和强度特征。首先，利用计算机生成节理岩样本的三维模型，然后在模型中移除不能经过的元素，得到可以进行模拟分析的节理岩体模型。本文考虑不同尺寸的节理岩体模型，即10cm×10cm×10cm、20cm×20cm×20cm和30cm×30cm×30cm三种模型。
2.2ModelDescription
在建立节理岩体三维模型后，需要设置其物理属性，包括密度、弹性模量、泊松比、抗剪强度等参数。本文采用的密度值为2.6g/cm3，弹性模量为6×1010Pa，泊松比为0.25，抗剪强度为60MPa。同时，本文考虑不同的节理参数，即节理角度和间距。其中，节理角度范围为10°～50°，间距范围为1cm～5cm。
2.3NumericalMethods
本文利用有限元软件ABAQUS进行三维数值模拟。在模拟过程中，采用线性弹性模型，考虑岩体的弹性变形但不考虑岩石的破坏过程。通过施加不同的荷载，模拟不同应力状态下节理岩体的变形和强度特征。在荷载作用下，通过计算节点的应力、应变、位移等参数，研究节理岩体的力学特性。
ResultsandDiscussion
3.1SampleGeneration
在生成节理岩体的三维模型中，采用计算机软件进行自动建模。首先，设置节理面的参数，包括节理面的数量、角度和间距。然后，根据给定的参数生成节理面并进行三维模型建立。图1展示了不同尺寸的节理岩体模型。
3.2VariationofDeformationandStrengthwithJointParameters
3.2.1连续模型
在进行模拟分析前，首先考虑完全连续模型，即不考虑节理面对节理岩体力学特性的影响。模拟连续模型在不同荷载下的力学特性，得到其应变-应力曲线，如图2所示。
3.2.2节理模型
在考虑节理面的影响下，根据给定的节理参数进行数值模拟，并得到其应变-应力曲线。图3展示了不同节理参数下节理岩体的应变-应力曲线。
3.3VariationofFailureModeswithJointParameters
在进行不同荷载下节理岩体的数值模拟中，还可以计算其不同荷载下的应力图像，从而得到其破坏模式和破坏强度。图4展示了在不同节理参数下的节理岩体在不同荷载下的破坏模式。
Conclusion
本文利用三维数值模拟方法，对节理岩体变形和强度特征进行了研究。模拟了不同尺寸的节理岩样本的形成过程，并分析了节理参数对节理岩体变形和强度的影响。结果表明，节理参数是影响节理岩体变形和强度的重要因素，而节理角度和间距是决定节理岩体破坏模式和破坏强度的关键因素。
参考文献
梁元华等.采用离散元方法研究节理岩体的变形及破坏形态.岩石力学与工程学报，2018，37(10)：228