三维岩样单轴压缩端面效应及破坏数值模拟

采用三维拉格朗日元法,对三维岩样在单轴压缩及不同端面约束条件下,试样端面上压应力的分布及演化规律、试样的破坏过程及空间局部化区域的形态进行数值模拟研究。在峰值强度之前及之后,岩石的本构模型分别取为线弹性及莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。数值结果表明,对于粗糙端面,由于强烈的端面约束,试样的弹性区是以两端面为底面的锥体;锥体一旦形成,随着时间步的增加,其体积基本保持不变;压应力集中于端面的四个边上。对于光滑端面,弹性区被塑性区所包围,随着时间步的增加,弹性区逐渐缩小,直到消失;压应力集中于端面的中心。在平面应力状态下,未观测到明显的局部化剪切带图案。无论粗糙还是光滑端面,三维岩样都发生了明显的剪切破坏。三维岩样内部的剪切应变局部化带有主有次,占主导地位的剪切带尺寸较大,应变率集中程度较大。

三维岩样单轴压缩自由面剪应变率及位移分布数值模拟

以往FLAC对岩样变形、破坏进行数值模拟主要是针对平面应变二维问题,离三维岩样单轴压缩的试验条件还有不少差距。因此,本文采用FLAC-3D研究了三维岩样在单轴压缩及强烈端面约束条件下,自由面的剪切应变率、离面位移及面内位移的分布及演变规律,研究了自由面垂直对称轴上定点位移随时步的演变规律。在应力峰值之前及之后,本构模型分别取为线弹性及莫尔–库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。计算表明:在应力–时步曲线的应力峰值之前,自由面上的剪切应变率由均匀向不均匀分布转变;在应变软化阶段,试样的变形由对称性向非对称性转变。通过分析各个自由面的剪切带图案发现,在试样内部形成了两个空间剪切带,其中一个更占优势。在试样变形的对称性丧失之前,三维离面及面内位移曲面是光滑的、平坦的;在对称性丧失之后,三维曲面已变得凹凸不平了。在剪切带的位置,面内位移有显著的改变。自由面垂直对称轴上的离面位移在应力–时步曲线应力峰值之前发生了分离,而水平及垂直位移–时步曲线转折于应力峰值稍后或应变软化阶段。从离面位移易于识别出试样破坏的前兆。此外,在应变软化阶段,随着时步的增加,还观测到了离面位移的三种不同的变化规律:基本保持不变、增加及降低(反弹)。