基于离散元的复合岩体结构面宏细观参数响应特征.pdf

第 卷 第 期 年 月人 民 长 江.收稿日期:基金项目:河南省青年托举人才工程项目()中国博士后面上基金项目()作者简介:姜耀飞男工程师博士主要从事岩体力学与数值模拟方面的研究 :.通信作者:李清波男正高级工程师主要从事工程地质及水文地质方面的研究 :.文章编号:()引用本文:姜耀飞李清波陈艳国等.基于离散元的复合岩体结构面宏细观参数响应特征.人民长江():.基于离散元的复合岩体结构面宏细观参数响应特征姜 耀 飞李 清 波陈 艳 国高平(.黄河勘测规划设计研究院有限公司河南 郑州 .水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室(筹)河南 郑州)摘要:在基于离散元的复合岩体结构面数值模拟中细观参数校核是重中之重而探讨宏细观参数之间的响应特征可为细观参数校核提供重要依据 分别利用粘结强度清除法和 模型建立复合平直结构面数值模型深入分析了两种不同方法所建立的结构面宏细观参数响应关系 研究结果表明:在基于粘结强度清除法的平直结构面模型中峰值强度与细观颗粒摩擦系数值呈正相关应用 模型模拟结构面时细观基本摩擦系数()与结构面宏观基本摩擦角呈正相关且约等于其反正切值细观法向刚度()和细观切向刚度()分别与结构面宏观的法向刚度和切向刚度呈正相关 最后结合拟合与试错法给出了新的参数校核模型该模型具有准确和效率高的优点可为结构面细观参数快速、高精度校核提供重要参考关 键 词:结构面 宏细观参数 细观参数校核 离散元理论 复合岩体中图法分类号:文献标志码:./.引 言岩体的力学行为很大程度上取决于其节理的力学特性 岩体节理的强度和变形行为得到了学者们广泛的研究提出了巴顿剪切模型、双线性剪切强度准则等许多剪切强度模型或方法来分析岩石节理的力学行为 目前大部分研究集中于两侧岩性性质相同的结构面而针对两侧岩性性质不同的复合岩体结构面研究相对较少 晏同珍、邓清禄、吴树仁、李华亮等认为三峡库区巴东组地层是典型的“易滑地层”究其原因巴东组地层为沉积旋回作用沉积的红层复合岩体表现为软硬互层状结构岩体力学性质特殊 近些年来学者们开始重点关注复合岩体结构面的力学性质贺建明、鲁祖德等通过室内试验重点分析了异性结构面的变形、强度特征 吴琼等 着力于三峡库区巴东组异性结构面剪切特性研究提出了预测异性结构面剪切强度的神经网络模型并探讨了异性结构面剪切特性的水致裂化规律 方堃等通过相似材料试验和基于颗粒流软件 的数值试验对异性结构面开展研究发现异性结构面的剪切性质更加接近于性质较弱一侧岩石所组成结构面的剪切性质近些年来随着计算机技术及数值理论的快速发展数值试验成为低成本高效率的重要研究手段之一结构面作为控制岩体稳定性的重要因素利用数值模拟对结构面开展研究也得到了长足的发展 其中基于离散元理论的 ()颗粒流数值 第 期 姜耀飞等:基于离散元的复合岩体结构面宏细观参数响应特征模拟软件在模拟岩体变形、力学性质、裂纹扩展、结构面粗糙度退化行为等方面具有较大的优势 最初于 年提出了粘结强度清除法模拟岩体结构面 然而该方法因颗粒本身的起伏而不正确地提高了结构面粗糙度而且在峰后导致应力应变曲线出现不正常的急剧下降等 为了解决该问题 等在 年提出了 模型然而利用数值软件开展数值试验时数值参数尤为重要尤其是离散元软件 中的细观参数与岩体的宏观参数不对应增加了高效且准确获取数值参数的难度 因此 中细观参数的校核问题一直困扰着学者们究其原因在于宏细观参数响应关系不清晰尤其是针对复合岩体结构面的 细观参数校核方法鲜见报道 的手册中给出了经典的试错法可按照一定的步骤通过不断尝试的方法进行参数校核然而该过程较为繁琐且浪费时间本文首先探讨基于复合岩体结构面的 宏细观参数响应特征然后在试错法的基础上提出针对复合岩体结构面的 细观参数校核方法旨在弄清宏细观参数响应关系以解决 中复合岩体结构面细观参数校核的问题提高参数校核的效率、精度研究成果可用于复合岩体的易滑地层地区为易滑地层的数值模拟提供高效、高精度的校核参数 岩体细观参数获取.室内试验本文主要研究复合岩体结构面的细观参数在此之前首先应获取结构面岩壁的宏观物理力学参数为准确获取岩壁细观参数做准备 在野外获取的复合岩体试样用立式钻床加工单轴试验所用圆柱试样试样尺寸为 如图 所示为利用单轴压缩伺服试验仪测试泥岩、泥质灰岩圆柱试样的物理力学强度指标通过单轴伺服试验机开展室内单轴试验试样如图 所示主要用来测试岩石的单轴抗压强度、弹性模量以及泊松比等参数指标 首先对已加工好的标准圆柱样品进行基本指标测量主要包括重量、直径、高度等指标 在单轴压缩试验过程中对径向和轴向的形变进行监测用于计算岩石的弹性模量和泊松比 利用劈裂试验间接获取岩石的抗拉强度 表 给出了典型复合层状岩体结构面基本力学参数测试结果.岩体数值模型细观参数校核基于岩体的宏观物理力学参数利用 数值单图 室内单轴试验.表 复合岩体结构面基本物理力学参数.地层岩性抗压强度/抗拉强度/弹性模量/泊松比泥质灰岩.泥岩.轴试验校核了结构面两侧岩体(泥岩、泥质灰岩)的细观参数 数值模型如图 所示模型尺寸及边界条件与室内试验相同校核所得的细观参数如表 所列把校核所得的细观力学参数赋值到数值模型中 数值单轴试验结果与室内试验的对比如表 所列 由表 可知两者差距较小认为利用该细观参数建立的数值模型可以模拟岩体(泥岩、泥质灰岩)的物理力学性质图 数值单轴试验模型(尺寸单位:).表 结构面岩壁细观参数.细观性质密度/()弹性模量/摩擦角/()/张拉强度及标准差/黏聚力及标准差/泥岩.泥质灰岩.人 民 长 江 年表 室内与数值单轴试验结果对比.试验类别岩性抗压强度/抗拉强度/弹性模量/泊松比室内试验泥质灰岩.泥岩.数值试验泥质灰岩.泥岩.基于粘结强度清除法的结构面宏细观参数响应特征分析.方法发展历史及局限性分析粘结强度清除法最早是由 于 年模拟岩体结构面时提出该方法设置结构面处颗粒的粘结强度为 来代表结构面 等通过建立平直结构面数值模型设置颗粒的摩擦系数为.及.三种级别开展了平直结构面的数值直剪试验发现颗粒之间会产生互锁现象从而导致与室内平直结构面剪切性质存在区别认为利用该方法会产生剪胀问题或者在剪切过程后段出现剪切强度上升等问题尽管有上述问题该方法还是受到了很多学者青睐并相继提出了一些方法降低由于互锁造成的不良影响 建议把非粘结的宽度调大到几个颗粒直径的宽度另外也有学者建议把结构面处非粘结颗粒的摩擦系数设置为接近于.结构面细观参数对宏观变形特性影响分析鉴于粘结强清除法模拟岩体结构面的优势利用该方法建立了平直复合层状岩体结构面数值模型进而探索宏细观参数之间的响应关系以便为细观参数校核提供参考如图 所示为一基于粘结强度清除法建立的平直岩体结构面数值模型 上盘为泥岩下盘为泥质灰岩单侧壁岩的尺寸为 中间为一平直结构面 其中蓝色或者绿色颗粒代表岩壁颗粒之间的接触具有粘结强度接触颜色为灰色 结构面处的接触颜色为红色粘结强度设置为 边界条件为下盘固定上盘受到顶墙向下的法向荷载侧墙设置固定速度水平顶推上盘作为剪切荷载基于平直结构面直剪试验研究剪切强度细观参数(细观剪切刚度及基本摩擦角)与宏观参数的对应关系 为探讨法向应力及细观参数(颗粒摩擦系数)对峰值剪切强度的影响在法向应力范围为.的情况下研究 为 .时峰值剪切强度的变化规律 试验结果如图 所示图中把最大和最小的 值的拟合线作为边界线 由图 可知峰值强度与法向应力呈线性正相关关系与 值也呈正相关 因此峰值剪切强度和基本摩擦角随着颗粒摩擦系数的增大而增大 随着颗粒摩擦系数由 增大到.对应的结构面的基本摩擦角从.增大到.图 粘结强度清除法建立的平直岩体结构面数值模型.图 不同法向应力下 中细观参数 对峰值剪切强度的影响.此外由图 可知同一级法向应力下随着颗粒摩擦系数的增大(同级法向应力下相邻两个摩擦系数下峰值剪切强度之差)存在减小的趋势说明同级法向应力下摩擦系数越低峰值剪切强度对其敏感性越高反之则越低 同时发现随着法向应力的增大 存在增大的趋势说明随着法向应力的增高上述峰值剪切强度敏感性增强定义同样颗粒摩擦系数下不同法向应力下的峰值剪切强度之差为 即 可以反映图中拟合线的斜率 由图 可知随着摩擦系数的提高 变大即斜率提高说明摩擦系数越高峰值剪切强度对 第 期 姜耀飞等:基于离散元的复合岩体结构面宏细观参数响应特征摩擦系数越敏感 基于 模型方法的结构面宏细观参数响应特征分析.模型简介 等提出的 模型为结构面的数值模拟提供了较好的解决方案 随后 等对该模型进行了改进和测试 接触模型示意图如图 所示基于该模型可以定位结构面位置通过给该模型赋予倾向、倾角、变形参数和力学参数等结构面两侧颗粒的相对运动遵循结构面的变形和力学特性 因此基于该模型建立的结构面数值模型中结构面两侧颗粒沿着结构面方向的运动不再因为颗粒的起伏而产生自锁或人为提高结构面粗糙度的问题从而可以有效模拟岩体结构面图 接触模型示意(据文献改).结构面宏细观参数响应关系首先建立平直结构面数值模型其尺寸与前节一样不同之处在于该处建立的数值模型使用 模型模拟结构面 模型中关键的细观参数有法向刚度、切向刚度、摩擦系数 上述 个细观参数分别影响结构面的法向刚度、切向刚度和基本摩擦角 接下来主要针对复合层状岩体结构面讨论细观参数对宏观参数的影响复合层状岩体平直结构面法向闭合试验以及直剪试验结果如图 所示 模型细观参数对结构面的宏观性质影响较为显著接下来针对细观参数的影响进行详细讨论由图()、()可知:随着细观参数 增大结构面抗剪强度变化不明显但结构面的法向刚度随之增高且呈线性关系说明该细观参数对结构面的抗剪强度影响较小但与结构面法向刚度关系密切且呈正相关线性关系由图()、()可知:随着细观参数 增大结构面的剪切刚度呈现非线性增长趋势而对剪切强度的影响较小 因此认为在平直结构面中 与结图 基于 模型的结构面宏细观参数响应关系.构面的剪切刚度呈正相关关系具体关系可以参考图中拟合方程 与剪切强度关系不大由图()()可知:随着细观摩擦系数 增大结构面的剪切强度呈现线性增长趋势且拟合线截距约等于 随着法向应力的增加同一 值拟合的结果为直线且不同 值斜率不同 如表 所列 反正切值约等于拟合线与水平向夹角而该夹角为结构面的基本摩擦角 因此认为 值与宏观的结构面基本摩擦角具有较好的一一对应关系校核参数时可根据该研究结果初步确定然后基于试错法进行微调得到最终准确参数 故剪切强度与、法向应力有关且与 呈线性关系因此细观参数 可根据结构面基本摩擦角换算得到 细观参数 和 分别与宏观的法向刚度和切向刚度关系密切均呈现正相关关系而 人 民 长 江 年且在图中给出了具体的拟合方程在校核细观参数时可首先利用该拟合方程对照宏观参数换算对应的细观参数然后基于传统的试错法对细观参数进行微调表 不同法向应力下多级 拟合线与水平向夹角.()/()拟合线与水平向夹角/().两种结构面建模方法对比分析鉴于结构面峰值强度最受关注本文主要针对宏细观参数响应特征进行对比分析 通过对比图 和图()()可知结构面峰值强度均与细观摩擦系数呈正比 然而基于粘结强度清除法建立的数值模型在细观摩擦系数 为 时对应的宏观基本摩擦角为.而基于 模型建立的结构面中拟合直线截距约为 即细观摩擦系数为 时对应宏观基本摩擦角约为 同时对比发现同样的细观摩擦系数利用粘结强度清除法建立结构面时比利用 模型得到的宏观基本摩擦角高 这是因为粘结强度清除法所建立的结构面会因为结构面处颗粒的起伏而隐含提高了结构面粗糙度 细观摩擦系数为 时 其对应的 宏 观 基 本 摩 擦 角 大 于 为.也可以佐证该结论另外根据上述研究发现随着细观摩擦系数的提高 的增速变缓其正切值越来越接近结构面宏观基本摩擦角可认为颗粒起伏而造成的粗糙度提高效应随细观摩擦系数的增高而减弱综上可认为利用 模型所建立的结构面其细观摩擦系数与宏观基本摩擦角呈反正切关系关系简单明确 而利用粘结强度清除法建立的结构面虽然当细观基本摩擦角较大时可以在一定程度上降低因颗粒起伏而造成的结构面粗糙度提高问题但存在一些不足且参数校核关系没有 模型简单明了 因此本文建议应用 模型建立复合岩体结构面 复合岩体结构面细观参数校核方法 数值模拟中细观参数的赋值问题一直困扰着科研工作者们现在一般使用试错法进行细观参数赋值 在提出该方法时建议用基于室内平直结构面的直剪试验校核颗粒的摩擦系数 本文在此基础上利用 模型建立结构面提出了校核复合层状岩体结构面细观参数的方法首先基于前文研究利用拟合方程对照宏观参数初步确定 细观参数 然后为了确保校换算参数的准确度用图 所示方法继续用试错法确定最终细观参数 在用试错法时首先校核细观法向刚度参数然后校核细观切向刚度参数 和细观摩擦系数 最后再重复校核并最终确定细观参数图 校核结构面细观参数步骤.本文所建立的模型共含有 个颗粒 在建立数值模型以及运行试验时采用.的 处理器的计算机 计算时当细观切向刚度为/时开展一次法向变形试验的时间为 在.法向应力下开展一次直剪试验的时间为 故单独进行一轮试验需要 若法向刚度增加、法向应力增大或者试验组数增加一轮试验需要的时间更长新方法对比经典试错法的改进在于提前做了大量的试验和统计分析工作加上本文建议应用最新的 模型模拟结构面因而明晰了结构面宏细观参数之间的关系 但考虑到 宏细观参数之间关系复杂新方法仍然建议在最后阶段利用经典试错法进行复核或者微调以保证细观参数的准确度因此新方法主要节省了校核时间提升了校核效率而对于准确度来说因为最终都归结到试错法所以校核精度与传统方法一样可得到保障 本文认为在校核复合岩体结构面细观参数过程中利用经典试错法进行参数校核时同时利用最快的二分法来优化细观参数赋值至少需要 次试错试验才可能达到本文的精度如果研究者数值试验经验不丰富可能需要更多尝试次数 假设使用试错法平均需要 次尝试那么利用新方法可以节省 的细观参数校核时间 基于本文的数值模型和计算机性能新方法至少可以节省 第 期 姜耀飞等:基于离散元的复合岩体结构面宏细观参数响应特征 结 论目前利用粘结强度清除法以及 模型建立结构面较为常用 本文主要探讨了基于以上两种方法建立复合岩体结构面时宏细观参数之间的响应关系结论如下:()基于粘结强度清除法建立结构面时细观参数(颗粒摩擦系数)对峰值剪切强度影响较大 峰值强度与 值呈正相关 随着 值提高峰值剪切强度对其敏感性增强 同级法向应力下 值越低峰值剪切强度对其敏感性越高反之则越低随着法向应力的增高峰值剪切强度对其敏感性增强()应用 模型建立结构面时 参数分别与结构面法向刚度、切向刚度关系密切且均呈正相关并给出了细观参数与宏观参数的拟合方程 反正切值约等于结构面的基本摩擦角()基于本文中细观参数与宏观参数的响应关系和拟合方程可初步换算出结构面细观参数然后用试错法微调细观参数可提高细观参数的校核效率及准确度参考文献:孙广忠.岩体结构力学.北京:科学出版社.蔡美峰何满潮刘东燕.岩石力学与工程.北京:科学出版社.王思敬.中国岩石力学与工程世纪成就.南京:河海大学出版社.:.:.():.():.():.晏同珍.水文工程地质与环境保护.武汉:中国地质大学出版社.邓清禄.斜坡变形构造 巴东新县城斜坡剖析.武汉:中国地质大学出版社 吴树仁韩金良石菊松等.三峡库区巴东县城附近主要滑坡边界轨迹分形分维特征与滑坡稳定性关系.地球学报():.李华亮易顺华邓清禄.三峡库区巴东组地层的发育特征及其空间变化规律.工程地质学报():.贺建明吴刚.岩体异性结构面的抗剪强度准则.重庆大学学报():.鲁祖德陈从新.自然与饱水条件下异性结构面的剪切特性研究.岩土力学(增):.():.吴琼王晓晗唐辉明等.巴东组易滑地层异性层面剪切特性及水致劣化规律研究.岩土力学():.方堃吴琼王姣等.基于颗粒流的异性层面剪切特性及演化机理研究.长江科学院院报():.():.:.:.:.:.:.(编辑:郑 毅)人 民 长 江 年 (.().():.:(上接第 页)(.):().().: