巖溶地區(qū)在我國廣泛分布,巖溶塌陷在我國隱伏的巖溶區(qū)發(fā)育強(qiáng)烈,每年都造成大量的經(jīng)濟(jì)損失以及重大的人員傷亡事故,從而嚴(yán)重影響了人們的生產(chǎn)活動(dòng)。巖溶發(fā)育需要存在可溶性巖石和具有溶蝕力的水,以及水的循環(huán)交替作用。巖溶作用包括水對可溶性巖石產(chǎn)生的化學(xué)溶蝕,以及水的機(jī)械侵蝕和崩塌作用,還有對物質(zhì)的攜出、轉(zhuǎn)移和再沉積,因此巖溶作用是一個(gè)相對復(fù)雜的物理和化學(xué)變化過程。灰?guī)r是常見的可溶性巖石,研究其微裂紋擴(kuò)展特點(diǎn)是理解巖溶發(fā)育這一復(fù)雜過程的基本要求。巖石是具有不均勻性和各向異性的非連續(xù)體,所以對巖石破裂問題的研究,基于連續(xù)介質(zhì)理論所進(jìn)行的數(shù)值分析方法及理論分析都存在一定的局限性。因此,本文以某地區(qū)的灰?guī)r為例,基于離散元理論分析巖石斷裂問題,即借助PFC^3D數(shù)值分析工具,建立灰?guī)r的三維離散元顆粒流模型,以探究脆性巖石材料微裂紋擴(kuò)展的相關(guān)規(guī)律,具體的研究工作如下:（1）基于平直節(jié)理接觸,建立灰?guī)r的三維顆粒流模型。本文通過對灰?guī)r試樣的宏觀物理力學(xué)屬性與模型的相關(guān)細(xì)觀參數(shù)之間關(guān)系的研究,建立起一個(gè)能夠準(zhǔn)確反映巖石的彈性模量、單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的三維顆粒流模型;（2）建立含中心預(yù)置單裂隙... 

【文章來源】：華南理工大學(xué)廣東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：128 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

PFC顆粒流模型運(yùn)算

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文16簇。clump是剛性簇，由一系列圓盤或者球形顆粒作為基本單元組合而成，在任何條件下，內(nèi)部的基本單元不產(chǎn)生相對變形，自始至終都是一個(gè)整體，從而呈現(xiàn)出剛性顆粒運(yùn)動(dòng)。而cluster是柔性簇，同樣是通過若干圓盤或者球形顆粒疊合而成，但內(nèi)部基本單元是由具有一定強(qiáng)度特性的接觸通過相互黏結(jié)而成，在外力足夠的條件下，整體會(huì)發(fā)生破碎，表現(xiàn)出柔性特征。圖2-1顆粒簇示意圖研究表明[51]，由于使用了外型更為凹凸不平的clump或者cluster取代部分的顆粒單元，提高了模型當(dāng)中不規(guī)則顆粒的總體占比，整體上增強(qiáng)了顆粒之間的互鎖效應(yīng)，最終與試驗(yàn)中的壓拉強(qiáng)度比成功匹配，但是這種方法只能在二維中實(shí)現(xiàn)，在使用PFC3D時(shí)，壓拉強(qiáng)度比值依然達(dá)不到10以上。此外，這種使用了clump或cluster的模型會(huì)使得運(yùn)算耗時(shí)大大增加，在一定程度上只適合計(jì)算顆粒數(shù)量較小的模型，并且對巖石破裂模式也發(fā)生很大的影響，尤其是clump剛性簇出現(xiàn)無法破裂的問題。2.1.2修改接觸黏結(jié)條件通過對巖石的平行黏結(jié)模型進(jìn)行部分的“黏結(jié)解除”，可以獲得相對較低的巖石抗拉強(qiáng)度[52,53]。平行黏結(jié)模型相當(dāng)于由兩個(gè)接觸組合而成——線性接觸和黏結(jié)接觸。部分接觸的黏結(jié)被解除后，就轉(zhuǎn)變成線性接觸，如圖2-2中顆粒之間的接觸點(diǎn)所示。通過相關(guān)代碼指令在模型當(dāng)中的隨機(jī)位置上消除一定量的黏結(jié)接觸部分，這相當(dāng)于使試樣模型在進(jìn)行破壞模擬之前預(yù)置了肉眼無法分辨的微裂紋，比較符合實(shí)驗(yàn)室物理試驗(yàn)所制作的巖樣的真實(shí)情況。同時(shí)，因?yàn)橄瞬糠逐そY(jié)接觸，進(jìn)而提高了線性接觸的比例，而由于線性接觸部分不承受張拉力和彎矩，而黏結(jié)接觸部分是模型抗拉響應(yīng)的主

第二章灰?guī)r三維顆粒流數(shù)值模型參數(shù)分析17要來源，最后使得巖石壓拉強(qiáng)度比值有所提升[53]。圖2-2黏結(jié)解除示意圖雖然數(shù)值模擬結(jié)果證明了黏結(jié)接觸對巖石抗拉強(qiáng)度所產(chǎn)生的影響要大于對自身抗壓強(qiáng)度的影響，無黏結(jié)的接觸可以承受部分壓力而不能承受任何拉力（降低黏結(jié)接觸比例后壓拉強(qiáng)度比值稍有提高），但模擬結(jié)果表明該方法仍然不能將巖石的壓拉強(qiáng)度比值達(dá)到室內(nèi)試驗(yàn)中比較理想的效果，并且抗壓強(qiáng)度也比物理試驗(yàn)值低。再者，有關(guān)基于此方法所建立的模型是否能夠模擬巖石裂紋擴(kuò)展的微細(xì)觀現(xiàn)象仍然未得到證實(shí)。2.1.3修改接觸黏結(jié)模型一些學(xué)者通過修改黏結(jié)接觸模型的本構(gòu)關(guān)系來解決壓拉強(qiáng)度比值過低的問題。Potyondy[54]認(rèn)為由于傳統(tǒng)的黏結(jié)接觸模型將接觸上的力矩通過梁彎曲理論而完全轉(zhuǎn)化為應(yīng)力，從而造成了接觸所受到的應(yīng)力過大，因此而引入力矩應(yīng)力貢獻(xiàn)系數(shù)（MomentContributionFactor），如下圖2-3所示。在0~1范圍內(nèi)取值，默認(rèn)狀態(tài)下取1，如下式(2-1)所示。圖2-3黏結(jié)接觸的梁彎曲理論示意nbFMRAI=+(2-1)

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