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    科研進展

    武漢巖土所多尺度連續非連續數值方法研究取得進展

    發表日期:2021-05-12來源:武漢巖土力學研究所放大 縮小

      巖石主要由晶體形態存在的礦物及少量非晶質膠結物組成,其成因和賦存環境對巖石的礦物成分,晶體形態及界面結合產生重要影響。巖石材料在不同研究尺度上表現出不同的力學特征,研究其內部礦物結構及細觀非均質特征,對于了解巖石斷裂損傷,裂紋孕育演化機制和破裂特征具有重要意義,也是保證巖石工程合理設計和安全控制的重要依據。

      數值方法是量化評價巖石微觀結構對宏觀力學特征影響的有力工具。傳統有限元法難以實現巖石介質在外力作用后出現破裂、失效及分離的全過程。離散元法雖然能反映巖體結構的非連續特征,但因全局接觸判別效率不高,很難實現工程尺度規模的計算,尤其三維條件下的接觸形式復雜,塊體接觸力計算繁瑣,大大限制了離散元方法的推廣應用。Munjiza提出的連續非連續通過定義勢函數來計算塊體之間的重疊區域,進一步根據NBS接觸算法得到接觸力。但由于勢函數物理意義不明確,無法統一表征嵌入量的接觸力,且切向接觸力計算冗雜,難以推廣至三維模型。

      本研究在傳統連續非連續方法的基礎上,結合基于點-面接觸的剛度罰值法,采用增強型NBS接觸判別,在C++上自主開發了多尺度(宏細觀)連續非連續數值軟件,大大提高了計算效率,即使對于網格結構不規則模型,也能達到較高的計算效率和判別精度。同時考慮巖石結構的多尺度特征,建立了以晶相為基礎的真實結構模型,實現了巖石礦物的穿晶和沿晶斷裂現象?;谏鲜龇椒?,系統性的研究了巖石細觀非均質特征(如晶體尺寸,分布特征,礦物形態及礦物成分)對其宏觀力學特征,裂紋成核,起裂,擴展和聚合的影響(如圖1)。研究結果表明:巖石裂紋起裂應力和損傷應力是由礦物非均質性決定的固有屬性(如圖2)。初始裂紋主要為晶間拉伸裂紋,由晶體間分布的非均勻拉應力導致,而穿晶剪切裂紋將耗散大部分能量,導致大規模微裂紋聚合和擴展。同時,增加礦物晶體的尺寸將進一步導致非均勻應力分布,降低材料的破壞強度。晶體形態在晶?;ユi中起著重要作用,均勻分布的礦物晶體產生均勻的微觀應力場,增加了巖石的起裂應力閾值。同時借助石英-云母-長石分布圖,進一步討論了礦物成分與巖石宏觀力學性能之間的定量關系(如圖3)。

    圖 1 基于真實結構建模的連續非連續數值方法

    圖 2 不同圍壓條件下巖石起裂應力,損傷應力和峰值強度變化

     

    圖 3 不同礦物成分對巖石應力特征的影響

      本研究獲得國家自然科學基金重點項目(No. 51439008 )、國家自然科學基金面上項目(No. 51679231) 和國家留學基金委建設高水平大學公派研究生項目(No. 201604910678)資助,相關成果發表在Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering上。

      論文信息:Li XF, Li HB, Zhao J (2021) Transgranular fracturing of crystalline rocks and its influence on rock strengths: Insights from a grain-scale continuum–discontinuum approach. Comput Methods Appl Mech Eng 373:113462

      論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0045782520306472

    (文/圖 巖體工程動力響應組)

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