数值研究:基质岩石中未焊接块体在直剪下的力学行为

文摘   2024-12-18 16:41   安徽  
摘要:基质岩石中的块体(bimrocks)因其复杂的组成和确定其力学性质的困难,被认为是工程地质学家面临的挑战性材料。基于离散元法,开发了一种新的数值方法来模拟未焊接的bimrocks。为颗粒分配了三种不同类型的接触,包括基质-基质、基质-块体和块体-块体,以模拟未焊接bimrocks的力学行为。为了验证数值模型的有效性,模拟了不同法向应力下的单轴压缩和直接剪切试验,并将结果与物理实验(由基质石膏粘结的玻璃珠块)进行了比较。发现数值单轴抗压强度(UCS)和低体积块体比例(VBP)下的直接剪切试验与实验数据吻合良好,但随着VBP和施加法向应力的增加,两者出现偏差。研究发现,VBP的增加会导致UCS和粘聚强度的降低,而摩擦强度增加。同时,得出结论,块体-基质接触的增加会导致粘聚力和UCS的降低。同时,块体的闭塞效应会增加内摩擦角。对裂纹机制的详细分析表明,VBP的增加会导致裂纹起始应力和损伤应力的降低。对微观参数的敏感性分析表明,块体-基质接触的抗拉强度是对强度影响最大的参数。

1. 引言 (Introduction)

- 背景:讨论了块体基质岩(bimrocks)的复杂组成以及其力学性质的确定难度,这些岩石由弱土壤基质包围的块体组成,常见于多种工程地质环境中。

- 研究目的:介绍了开发一种新的基于离散元方法(DEM)的数值模拟方法,用于模拟未焊接的bimrocks的力学行为,并探讨块体体积比例(VBP)对这类岩石在单轴压缩和直接剪切测试下的影响。

2. 文献回顾 (Literature Review)

- 研究进展:总结了以往关于bimrocks力学行为的研究,包括现场或实验室实验、合成样品的实验室实验和数值建模。

- 研究分类:将研究分为三个主要类别:实地或实验室对真实样品的实验、合成样品的实验室实验和数值建模。

- 研究局限:指出了现有研究的局限性,包括样品制备的困难和实验成本。

3. 数值建模方法 (Numerical Modelling Approach)

- 模型开发:介绍了基于DEM的数值模拟方法的开发,该方法考虑了三种不同类型的接触:基质-基质、基质-块体和块体-块体。

- 模型验证:通过与物理实验(由基石膏粘结的玻璃珠块体)的结果比较,验证了数值模型的有效性。

- 参数影响:探讨了VBP对单轴压缩强度(UCS)和内聚强度的影响,以及摩擦强度的变化。

4. 模型校准 (Model Calibration)

- 基质颗粒属性:校准了基质颗粒和基质-基质接触的微观属性,通过单轴压缩、直接剪切和直接拉伸实验。

- 块体-基质接触属性:校准了块体-基质接触的微观属性,以复现单轴压缩测试的结果。

5. 验证研究 (Validation Study)

- 单轴压缩测试:通过与物理实验的比较,验证了数值模型在不同VBP下的单轴压缩测试结果。

- 直接剪切测试:模拟了不同正常应力下的直接剪切测试,并与物理实验结果进行了比较。

6. 结果 (Results)

- 单轴压缩结果:展示了不同VBP下数值实验的应力-应变曲线和单轴压缩强度(UCS),并与物理实验结果进行了比较。

- 直接剪切结果:展示了不同VBP和正常应力下数值直接剪切测试的结果,并与物理实验结果进行了比较。

7. 讨论 (Discussion)

- 单轴压缩测试讨论:分析了VBP对裂纹扩展机制的影响,以及VBP如何改变bimrocks的破坏模式。

- 直接剪切测试讨论:讨论了VBP对剪切强度的影响,以及块体-基质接触强度属性对剪切行为的影响。

8. 结论 (Conclusions)

- 研究贡献:总结了研究的主要发现,包括VBP对bimrocks力学行为的影响,以及DEM模拟方法的有效性。

- 未来研究方向:提出了未来研究的建议,包括对块体属性(如脆性)对bimrocks剪切强度影响的进一步研究。

参考文献

Sheikhpourkhani AM, Bahaaddini M, Oh J, Masoumi H. Numerical study of the mechanical behaviour of unwelded block in matrix rocks under direct shearing. Bull Eng Geol Environ. 2024;83:22. https://doi.org/10.1007/s10064-023-03507-7

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