利用3D打印合成巖體解釋非貫通節(jié)理的破壞機(jī)理

來源： 計(jì)算巖土力學(xué)

1. 引言

巖體由完整的巖石和變異的節(jié)理組成，因此階梯式邊坡破壞是斷裂面上的滑動(dòng)和斷裂之間巖橋的拉伸破壞共同作用的結(jié)果【階梯路徑巖橋 (Step Path Rock Bridge)】,。目前主要使用數(shù)值模擬技術(shù)了解這類巖體的力學(xué)行為,，主要使用的工具有：

(1) 基于DFN和塊體理論的Fracman和RocSlope;

(2) 基于DFN和FEM技術(shù)的RS2, RS3;

(3) 基于DFN和DEM技術(shù)的UDEC, 3DEC, PFC包括特別發(fā)展的SRM技術(shù)：BBM和BPM；

(4) 基于DFN和FDEM技術(shù)的Irazu;

顯然,，按照普通方法制作一個(gè)合成巖體(SRM)試樣是十分困難的,，這也是發(fā)展數(shù)值模擬技術(shù)的主要原因之一。現(xiàn)在發(fā)展了一種新的方法,，可以使用3D打印技術(shù)制作合成巖體,。

2. 3D打印合成巖體
在實(shí)踐中，工程師們通常采用類比或經(jīng)驗(yàn)方法估算巖體強(qiáng)度,，最常用的經(jīng)驗(yàn)方法是使用工程巖體分類,，特別是Hoek-Brown準(zhǔn)則估算各向同性的巖體強(qiáng)度，后來Itasca發(fā)展的SRM技術(shù)雖然從理論上可以更準(zhǔn)確地估算巖體強(qiáng)度,，然而這種技術(shù)需要相當(dāng)嫻熟的Itasca軟件操作技巧而且需要進(jìn)行大量的耗時(shí)的數(shù)值試驗(yàn),，因此在實(shí)踐中也很難使用這種方法。

通過使用人工制作的3D打印技術(shù),，構(gòu)建具有已知構(gòu)造(即強(qiáng)度和巖石節(jié)理的空間分布)的合成巖體試樣,，在實(shí)驗(yàn)室中對其進(jìn)行測試。這種方法的主要優(yōu)勢在于可以對物理?xiàng)l件相似的樣本進(jìn)行可重復(fù)的實(shí)驗(yàn)室測試,，從而降低了不確定性水平并提高了結(jié)果的可靠性,。3D打印樣本的實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果一方面可以用來估算巖體強(qiáng)度，另一方面可以用來校準(zhǔn)和驗(yàn)證數(shù)值模擬的結(jié)果,，從而更準(zhǔn)確地了解和解釋巖體的力學(xué)特性和破壞機(jī)制,。

3. SRM數(shù)值模型

2007年5月,，在溫哥華舉辦的第一屆Canada-U.S.巖石力學(xué)會議上,，Itasca公司提交了一篇論文<節(jié)理化巖石的合成巖體模型---A Synthetic Rock Mass Model for Jointed Rock>，并在FLAC3D, 3DEC和PFC3D中實(shí)現(xiàn)了這種想法,。SRM使用PFC3D建立的BPM模型表示原巖,，用DFN表示節(jié)理，以此來估算巖體的強(qiáng)度屬性和變形屬性,，從而預(yù)測巖體的脆性斷裂行為,。      

模擬方法是把DFN斷裂信息(即斷裂幾何形狀和屬性)疊加到BPM模型上，BPM用于模擬完整巖石,，通過修改斷裂接觸點(diǎn)處的接觸模型引入斷裂的力學(xué)行為,。由于PFC模型本質(zhì)上是離散的，因此破壞可能發(fā)生在完整的BPM區(qū)域以及沿?cái)嗔衙姘l(fā)生,。

SRM克服了早期工作中存在的模型尺寸和表示節(jié)理的限制,，允許快速構(gòu)造和測試直徑為10-100m的中等到嚴(yán)重節(jié)理化的巖石樣本，這些巖石含有數(shù)千個(gè)非貫通性節(jié)理,。SRM模擬用于估算巖體的峰前屬性(彈性模量,、損傷閾值和峰值強(qiáng)度)和峰后屬性(脆性,、殘余強(qiáng)度和破碎)，并用于分析大規(guī)模的巖體邊坡穩(wěn)定性問題,。SRM模擬允許考慮三維大型復(fù)雜非貫通性節(jié)理網(wǎng)絡(luò)以及塊體斷裂,，包括非貫通節(jié)理對巖塊強(qiáng)度的影響。

通用的SRM數(shù)值模擬步驟如下：

(1) 根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)建立離散斷裂網(wǎng)絡(luò)DFN;

(2) 對構(gòu)造的DFN模型進(jìn)行了隨機(jī)抽樣,，按恒定的高寬比分離出N個(gè)立方樣本進(jìn)行模擬;

(3) 對每個(gè)立方樣本進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn),，并記錄每個(gè)樣本的全部應(yīng)力應(yīng)變行為。

4. 結(jié)束語

SRM數(shù)值模擬為確定大規(guī)模巖體試樣的復(fù)雜本構(gòu)行為提供了一種新的技術(shù),，這在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室中通常很難實(shí)現(xiàn)或不可能實(shí)現(xiàn),，然而新出現(xiàn)的3D打印技術(shù)可以制作出人工的SRM試樣，在一定程度上能夠校準(zhǔn)和驗(yàn)證數(shù)值模擬的結(jié)果,，從而更準(zhǔn)確地了解和解釋巖體的力學(xué)特性和破壞機(jī)制,。