单轴压缩下横观各向同性岩石破裂过程的数值模拟

岩石动态剥落破裂的数值模拟引言岩石动态剥落破裂是地质灾害中的一种严重类型，其产生的原因多样，如地震、爆炸、水力冲击等。

对于这种问题，数值模拟方法已被广泛应用于地质工程领域，以预测和评估岩石动态破裂过程的破坏性和具体效果，以及结构的稳定性和保护性能。

本文将介绍目前常用的岩石动态破裂数值模拟方法，包括有限元法和离散元法，并分析其优劣和应用范围。

一、有限元法有限元法是解决结构力学中的问题的常用方法，包括岩石动态破裂模拟。

其基本思想是将复杂的结构分解成若干个小元素，并对每个小元素进行简化模型假设，利用数值方法对每个小元素进行求解，最后将结果组合得到全局结构的反应。

在岩石动态破裂模拟中，将峰值强度、应力波传播、岩石内损伤等问题转化为有限元数值求解问题，可大幅简化问题的求解过程。

有限元法在岩石动态破裂模拟中的应用主要涉及到以下几个方面：1、破裂过程的数值模拟：破裂过程的分析对于预测和评估破坏的具体情况至关重要，有限元法能够对破裂过程进行数值模拟；2、弹性介质中应力波传播的数值模拟：应力波传播的速度、频率对于岩石破裂具有重要影响，有限元法可以计算弹性介质中应力波传播的特征及其影响；3、岩石内部损伤行为的数值模拟：岩石内部微观结构的变化对于破裂行为的发生有着直接的影响，有限元法可以模拟并计算微观尺度上的变化。

有限元法的优点在于：1、求解过程简便快捷；2、可对各种不同类型和形状的结构进行模拟；3、适用于各种不同工况下的模拟。

其缺点在于：1、仅适用于小小尺度下，如旋转对称或轴对称问题的处理等；2、计算机资源投入较大，对于大规模结构的处理难度较大；3、需要对于每个小元素进行较好的建模。

二、离散元法离散元法是一种分子动力学模型，其首要任务是模拟模型中各种物质颗粒在自然环境下的运动行为，其模型假设是颗粒物的弹性和摩擦不存在。

离散元法最初被应用于地质动力学的问题中，由于其适用范围广、计算速度快、能够对多种不同类型的物体进行建模等优点，迅速成为岩石动态破裂模拟中最常用的方法之一。

基于双屈服条件准则的横观各向同性本构模型研究及其数值模拟QU Guangxiu;REN Peng【摘要】为研究层状岩体的力学特性,提出基于双屈服条件强度准则的本构模型.基于双屈服条件强度准则,联合横观各向同性的广义虎克定律刚度矩阵建立考虑横观各向同性的本构模型,并结合岩石单轴压缩试验数据,通过最小二乘法拟合该模型的参数;实现该模型的单轴压缩试验数值模拟,并通过室内单轴压缩试验结果对数值模拟结果进行验证,分析模型的可靠性.研究结果表明:本文提出的本构模型在层状岩体的力学分析方面具有适用性,为层状岩体力学特性研究及层状岩质边坡的稳定性分析奠定了基础.【期刊名称】《铁道科学与工程学报》【年(卷),期】2019(016)006【总页数】6页(P1448-1453)【关键词】横观各向同性;本构模型;双屈服条件强度准则;数值模拟【作者】QU Guangxiu;REN Peng【作者单位】【正文语种】中文【中图分类】TU458层状岩质边坡广泛分布于我国西南地区，其明显的横观各向同性力学特性对边坡的稳定性有着显著影响，因此如何建立适用的本构模型以探究其力学行为具有重要的工程实践意义。

关于横观各向同性岩石的本构模型研究，国内外学者进行了大量研究。

刘运思等[1]通过室内试验对横观各向同性岩体的弹性参数进行了研究。

Gonzaga等[2]通过三轴压缩试验研究了如何确定横观各向同性岩石的力学参数。

ZHANG等[3−5, 11]通过不同试验手段研究了横观各向同性岩石的破坏机理，探讨了加载速率对破坏过程的影响。

熊良宵等[6−8]采用数值模拟方法，探讨了横观各向同性岩体的力学特性。

Colak等[9−10]对横观各向同性岩体的破坏强度准则进行了研究。

上述研究成果大都基于Hoek-Brown准则，描述横观各向同性岩体的强度和变形特征，并提出不同的强度准则和弹塑性本构模型，但大多研究成果仅从强度或者变形特征这种单一因素考虑横观各向同性岩体的本构模型，如何科学地描述层状岩石的强度和变形特征仍值得商榷。

单轴压缩过程中岩石变形破坏机理摘要：岩石是地球表层的主要构成物质，其变形破坏机理是地质学、地球物理学、岩土力学等领域研究的重要内容之一。

本文主要围绕单轴压缩过程中岩石的变形和破坏机理进行探讨，从微观和宏观层面分析了岩石变形破坏的机理，对于加深对岩石力学性质的认识和岩体工程设计具有一定的指导意义。

关键词：单轴压缩；岩石变形；岩石破坏；机理一、引言岩石是地球表层的主要构成物质，其地质力学性质对于地质灾害防治、矿产资源勘探和开采、地下工程建设等具有重要意义。

岩石的变形和破坏是岩石力学研究的核心内容之一，而单轴压缩实验是岩石力学中最基本、最重要的实验之一，能够模拟岩石在地球内部受到的单向应力，揭示岩石的变形和破坏机理。

本文将围绕单轴压缩过程中岩石的变形和破坏机理进行探讨，从微观和宏观层面分析了岩石变形破坏的机理，对于加深对岩石力学性质的认识和岩体工程设计具有一定的指导意义。

二、单轴压缩实验概述单轴压缩实验是岩石力学中最基本、最重要的实验之一，其主要原理是使岩石试样在一个方向上受到单向压缩应力，从而模拟岩石在地球内部受到的单向应力。

实验中通常采用圆柱形或立方体的岩石试样，通过加压机施加压力，测量岩石试样的应变和应力变化，从而研究岩石的变形和破坏机理。

三、岩石变形机理岩石的变形是指岩石在受到外力作用下发生的形状和大小的变化，包括弹性变形和塑性变形两种形式。

岩石的破坏是指岩石在受到外力作用下失去原有的力学性质和稳定性，出现破裂和破碎的现象。

1. 岩石的弹性变形岩石的弹性变形是指岩石在受到外力作用下，能够在一定范围内恢复原有的形状和大小的变化。

在单轴压缩实验中，当岩石试样受到一定的压力时，岩石试样会发生弹性变形。

当压力撤离时，岩石试样会恢复原有的形状和大小。

2. 岩石的塑性变形岩石的塑性变形是指岩石在受到外力作用下，发生不可逆的形状和大小的变化。

在单轴压缩实验中，当岩石试样受到足够大的压力时，岩石试样会发生塑性变形。

第 54 卷第 10 期2023 年 10 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.54 No.10Oct. 2023双裂隙复合岩层单轴压缩力学性质及损伤机理离散元模拟李恒1，杨圣奇1, 2，孙博文2，杨景2，董志锦2，温森3(1. 中国矿业大学 力学与土木工程学院，江苏 徐州，221116；2. 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州，221116；3. 河南大学 土木建筑学院，河南 开封，475004)摘要：针对存在内部裂隙的软硬互层复合岩层力学特性展开研究，采用PFC 2D 建立层状复合岩层离散元模型，通过对完整复合岩层试验细观参数进行校准并验证其宏观特性，研究分析平行双裂隙复合岩层的岩桥倾角与层理倾角对力学特性与破坏模式的影响，得出双裂隙复合岩层的5类最终破坏模式，揭示裂纹演化规律及位移场变化。

研究结果表明：双裂隙复合岩层峰值强度随岩桥倾角增加呈现先减小后增加的趋势，而随层理倾角θ增大表现为“U ”型变化规律；与完整试样相比，双裂隙复合岩层峰值强度降低4.4%~42.0%；双裂隙复合岩层破坏模式主要分为5种类型，分别为轴向张拉破坏(Ⅰ型)、穿层理剪切破坏(Ⅱ型)、穿层理拉伸破坏(Ⅲ型)、沿层理面滑移破坏(Ⅳ型)、沿岩层拉伸破坏(Ⅴ型)；试样的破坏模式在θ=0°~45°时随岩桥倾角增加从Ⅰ型转变为Ⅱ型最后转变为Ⅲ型破坏模式，在θ=60°~75°和θ=90°时分别表现为Ⅳ型和Ⅴ型破坏模式；在θ=0°~45°时，翼裂纹垂直于主裂隙起裂，随岩桥倾角增大，翼裂纹沿岩桥倾角偏转并扩展成宏观破裂面，导致试样最终被破坏；在θ=60°~75°时，裂纹在层理面扩展形成宏观滑移面，导致试样破坏；在θ=90°时裂纹沿层理面发生岩桥贯通，翼裂纹在岩层内扩展形成宏观破裂面并导致试样破坏。

《三维条件下的岩石破裂过程分析及其数值试验方法研究》篇一一、引言岩石破裂过程是地质学、岩土工程学等领域的重要研究内容。

随着科技的发展，三维条件下的岩石破裂过程分析及其数值试验方法研究逐渐成为研究热点。

本文旨在探讨三维条件下的岩石破裂过程，并对其数值试验方法进行研究，以期为相关领域的研究提供参考。

二、岩石破裂的基本理论岩石破裂是指岩石在受到外力作用时，内部应力超过其承受极限，导致岩石结构破坏的现象。

岩石的破裂过程受到多种因素的影响，如岩石的物理性质、地质构造、应力状态等。

在三维条件下，岩石的破裂过程更为复杂，需要考虑多方向应力、温度、湿度等因素的影响。

三、三维条件下的岩石破裂过程分析1. 理论模型：在三维条件下，岩石的破裂过程可以通过建立理论模型进行分析。

常用的模型包括弹性力学模型、塑性力学模型、断裂力学模型等。

这些模型可以描述岩石在不同条件下的应力、应变及破裂过程。

2. 数值模拟：通过数值模拟方法，可以更直观地了解岩石的破裂过程。

常用的数值模拟方法包括有限元法、离散元法、边界元法等。

这些方法可以模拟岩石在不同条件下的应力分布、裂纹扩展及最终破裂形态。

3. 实验观察：通过实验观察，可以更深入地了解岩石的破裂过程。

实验方法包括光学显微镜观察、电子显微镜观察、声发射监测等。

这些方法可以观察岩石的微观结构变化、裂纹扩展及破裂模式。

四、数值试验方法研究1. 有限元法：有限元法是一种常用的数值试验方法，通过将岩石划分为有限个单元，求解每个单元的应力、应变及位移等参数，从而分析岩石的破裂过程。

该方法可以处理复杂的几何形状和边界条件，但需要较高的计算成本。

2. 离散元法：离散元法是一种基于刚性块体运动的数值试验方法，适用于模拟岩体的不连续性。

该方法通过考虑块体间的接触和相互作用，模拟岩体的破裂过程。

其优点是可以处理大变形和失稳问题，但需要较细致的模型构建。

3. 结合实际：在实际应用中，可以根据研究目的和岩石性质选择合适的数值试验方法。

实验五岩石单轴压缩实验一、实验目的1、掌握岩石单轴压缩实验的基本原理和方法。

2、了解岩石单轴压缩强度的测试方法。

3、通过实验了解岩石在不同压力下的力学性质。

4、了解矿山工程中用于确定岩石层强度、稳定性和采矿方法选择的基本实验方法。

二、实验原理在实验室条件下，对岩石进行单轴压缩实验，即将岩石样品置于压力机滑动块与固定块之间，施压加荷，岩石样品在压力的作用下发生变形，最终出现破裂破坏。

这种实验方法可以测定岩石样品在单轴压缩应力下断裂时的应力水平值和断裂模式，是评估岩石力学性质和确定其强度和稳定性的重要方法。

单轴压缩强度表示岩石样品在单轴压缩下破坏时的最大承受压力或应力水平。

在实验过程中，将岩石样品沿其轴向方向施以单向的压力，直到样品发生破坏，根据压力与样品断面积之比计算出样品的单轴压缩强度。

单轴压缩实验中常用的岩石模型为标准直径为50mm、高度为100mm、直径与高度比为1:2的圆柱形样品。

通过实验获取不同压力下岩石样品的应变和应力的数据，利用数据处理方法分析出样品的单轴压缩强度和岩石在不同压力下的变形和断裂模式。

三、实验步骤1、制备标准圆柱形样品在实验之前，制备标准的圆柱形样品是非常重要的，直径为50mm、高度为100mm，或者根据实际情况选择其他规格的样品。

2、测量标准圆柱形样品尺寸使用卷尺对样品的直径和高度进行测量，并记录下来，便于计算样品的断裂强度。

3、安装压力机将样品放置在压力机的压缩板上，并确保样品在滑动块与固定块之间完全垂直。

调整滑动块的位置，使其与样品顶部接触。

将固定块和滑动块夹紧，用气动或手动方式施压。

4、开始施压施加压力，开始进行单轴压缩实验，随着施压的增加，记录下实验的每一阶段应变和应力数据。

5、记录数据根据实验数据绘制出应力-应变曲线、应力-时间曲线，计算出单轴压缩强度。

模拟分析样品破裂模式。

6、进行岩石单轴压缩实验的注意事项a、施压过程应逐步增加，避免突然增压，以免样品产生损伤。