岩体细观-宏观失效机制与连续-离散耦合全过程数值模拟

The rock structure and material deformation is a series of complicated progressive deformation and damage process generally from a small deformation, damage evolution, macroscopic crack formation and propagation to some large deformation and large displacement, such as fracture or even movement in granular media. But the method of continuum mechanics and non-continuum mechanics can not reflect these state in a unified or directly way. Due to the complicated evolutionary process of rock damage fracture strength and deformation,there is no mature research achievements in evaluating mechanical behaviour and secured state of rock material and structure in the aspect of numerical methods in engineering practice till now around the world. In order to realize the whole process from continuum damage and fracture to non-continuum or even instability failure, this project studies the mechanism of the entire process of rock meso-damage to macro unstable failure, and a continuous-discontinues coupling mythology is proposed to describe the mechanical behavior of rock system uniformly. In this method, the elastic-plastic fracture mechanics model is employed. The study of this project plays an important role in promoting the development of rock medium numerical simulation and rock mechanics.

岩体结构与材料的变形，一般是一个从小变形、损伤演化、宏观裂纹形成与扩展、直至断裂破碎甚至发生散体运动等大变形、大位移的一系列复杂的渐进变形与破坏过程。而连续介质力学方法和非连续介质力学方法都无法统一、直观地反映这几种状态。由于岩石损伤断裂的强度和变形状态的演变过程十分复杂，在工程实践中评判岩体材料与结构的力学行为及安全状态的数值方法方面，至今国内外还没有成熟的研究成果。本项目研究岩石细观损伤到宏观失稳破坏的全过程机制，将弹塑性断裂力学模型引入连续-离散耦合方法，采用数值方法统一描述岩石系统的力学行为，实现连续介质的损伤断裂并向非连续介质转化乃至失稳破坏的全过程。该项目的研究对于岩石介质的数值仿真及岩石力学的发展具有重要的推动作用。

岩石材料的破坏过程研究是当前岩石力学领域中备受关注的重要课题之一，常用的研究手段包括物理试验和数值试验。与物理试验相比，数值试验具有加载条件易于控制、可重复性强以及便于开展细观破坏机理研究等优点。目前，岩土工程中数值分析方法可分为连续介质力学方法和非连续介质力学方法，而两种方法都无法统一、直观地反映岩石复杂的渐进变形与破坏过程。本项目研究岩石细观损伤到宏观失稳破坏的全过程机制，将弹塑性断裂力学模型引入连续-离散耦合方法，实现连续介质的损伤断裂并向非连续介质转化乃至失稳破坏的全过程。.考虑到岩石一般是由多边形矿物颗粒胶结而成的集合体，提出以随机均布Voronoi图为基础的网格剖分方式建立岩石试样，提高了裂纹扩展路径的真实性，并且试样表现出明显的脆–延–塑转换特性。通过单轴压缩数值试验和巴西圆盘劈裂数值试验，从强度特性、变形特性以及破坏形态等方面揭示了不同网格尺寸和加载速率下岩石试样的破坏机制。实例对比验证表明，通过选择合适的细观参数，基于连续-离散耦合分析方法的数值试验能够再现岩石、节理的主要力学特性。.岩质边坡稳定问题是岩土工程领域的重要研究课题。在连续-离散耦合分析方法的基础上，引入重度增加法的基本原理，建立了FDEM-GIM边坡稳定分析方法，揭示了不同节理倾角下边坡的破坏机理。研究表明，节理倾角是影响边坡破坏过程的重要因素。随着节理倾角的增加，边坡的破坏模式由坍塌破坏转变成滑移破坏，边坡破坏后达到稳定所需的时间逐渐减少，滑动距离逐渐变短，堆积体坡角逐渐降低，所得的滑动距离规律与滑坡资料统计结果一致。.本项目实现了模拟岩石渐进变形及破坏的数值方法，对岩石介质的数值仿真集岩石力学的发展具有重要的推动作用。