利用3D打印合成巖體解釋非貫通節(jié)理的破壞機理

來源： 計算巖土力學(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�，F(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
在實踐中，工程師們通常采用類比或經(jīng)驗方法估算巖體強度，最常用的經(jīng)驗方法是使用工程巖體分類，特別是Hoek-Brown準則估算各向同性的巖體強度，后來Itasca發(fā)展的SRM技術(shù)雖然從理論上可以更準確地估算巖體強度，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行大量的耗時的數(shù)值試驗，因此在實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(即強度和巖石節(jié)理的空間分布)的合成巖體試樣，在實驗室中對其進行測試。這種方法的主要優(yōu)勢在于可以對物理條件相似的樣本進行可重復(fù)的實驗室測試，從而降低了不確定性水平并提高了結(jié)果的可靠性。3D打印樣本的實驗室測試結(jié)果一方面可以用來估算巖體強度，另一方面可以用來校準和驗證數(shù)值模擬的結(jié)果，從而更準確地了解和解釋巖體的力學(xué)特性和破壞機制。

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)域以及沿斷裂面發(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的中等到嚴重節(jié)理化的巖石樣本，這些巖石含有數(shù)千個非貫通性節(jié)理。SRM模擬用于估算巖體的峰前屬性(彈性模量、損傷閾值和峰值強度)和峰后屬性(脆性、殘余強度和破碎)，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模型進行了隨機抽樣，按恒定的高寬比分離出N個立方樣本進行模擬;

(3) 對每個立方樣本進行強度試驗，并記錄每個樣本的全部應(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)的實驗室中通常很難實現(xiàn)或不可能實現(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和驗證數(shù)值模擬的結(jié)果，從而更準確地了解和解釋巖體的力學(xué)特性和破壞機制。