翟會(huì)超,任鳳玉,張國建

(1.東北大學(xué)，遼寧 沈陽 110006；2.遼寧科技大學(xué)，遼寧 鞍山 114051 )

1 前言

在工程巖體中常存在節(jié)理裂隙。而裂隙弱面的發(fā)育程度、分布密度、力學(xué)性質(zhì)等決定著結(jié)構(gòu)體的形狀、方位和大小，同時(shí)也是控制巖體穩(wěn)定性、巖體強(qiáng)度的重要因素。在FLAC3D數(shù)值分析中，常用Fish語言對(duì)模型實(shí)體內(nèi)不同空間位置的單元賦予隨機(jī)材料參數(shù)，或通過雙線性應(yīng)變硬化模型、多節(jié)理模型、分界面處理節(jié)理等方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體非線性研究。但以上方法較難描述巖體工程中賦存的宏觀隨機(jī)裂隙分布狀況。然而，巖體的變形破壞特征與宏觀裂隙密切相關(guān)。針對(duì)這一問題，文中采取Autocad、Ansys聯(lián)合建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)宏觀隨機(jī)裂隙模型在FLAC3D中的數(shù)值分析。

2 隨機(jī)裂隙模型實(shí)現(xiàn)技術(shù)

若生成線型宏觀隨機(jī)裂隙模型，首先對(duì)工程巖體進(jìn)行結(jié)構(gòu)面調(diào)查分析，獲取優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組的統(tǒng)計(jì)資料，進(jìn)而確定宏觀隨機(jī)裂隙產(chǎn)狀、分布密度等空間特征，運(yùn)用VB程序完成隨機(jī)裂隙面組在Autocad中的實(shí)現(xiàn)；其次，利用Ansys強(qiáng)大的建模功能，對(duì)宏觀隨機(jī)裂隙模型按照研究的工程范圍進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計(jì)；最后，通過轉(zhuǎn)換程序?qū)nsys模型導(dǎo)入FLAC3D中進(jìn)行數(shù)值模擬。主要建模技術(shù)流程見圖1。

每個(gè)裂隙的空間分布主要受傾角、傾向、裂隙長度、空間坐標(biāo)四個(gè)參數(shù)控制，而隨機(jī)裂隙群組在此基礎(chǔ)上還要考慮裂隙的分布規(guī)律、密度等。因此，為確立空間隨機(jī)裂隙群，就要以裂隙的產(chǎn)狀、分布規(guī)律等相關(guān)參數(shù)為自變量，以控制裂隙方位的空間坐標(biāo)、裂隙面總數(shù)為因變量。運(yùn)用VB語言按照變量之間的函數(shù)關(guān)系編寫隨機(jī)裂隙面群生成程序，調(diào)用Autocad，并在其中實(shí)現(xiàn)隨機(jī)裂隙空間分布。

圖1 隨機(jī)裂隙模型建模過程

文中裂隙的形狀為簡單的正四邊形，利用四邊形角點(diǎn)的坐標(biāo)便可控制裂隙的空間位置。隨機(jī)裂隙的空間分布特征以現(xiàn)場實(shí)際結(jié)構(gòu)面調(diào)查、分析優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組為依據(jù)。生成的裂隙全部為優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組類，在空間位置上均勻分布，在產(chǎn)狀特征上以優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組的研究結(jié)果為根據(jù)，即文中生成的隨機(jī)裂隙是調(diào)查分析后的優(yōu)勢裂隙面。

根據(jù)裂隙空間位置與裂隙面產(chǎn)狀、尺寸的關(guān)系，即：

Ψ(X,Y,Z)&Φ(dd,dip,l)

式中：dd為傾向；dip為傾角；l為裂隙邊長。

由點(diǎn)生線、由線生面的方法畫出隨機(jī)裂隙面，再循環(huán)n次得到n條隨機(jī)裂隙。

依據(jù)工程巖體中實(shí)際宏觀裂隙的分布條件，使用已編程序在Autocad中生成三維空間隨機(jī)裂隙面組，見圖2。

其次，把cad圖形文件保存為dxf格式，運(yùn)用

轉(zhuǎn)換程序形成Ansys識(shí)別的命令流lgw格式文件，并調(diào)用lgw格式文件在Ansys里形成隨機(jī)裂隙組模型。然后利用Ansys獨(dú)特的強(qiáng)大建模技術(shù)進(jìn)行整體模型設(shè)計(jì)，在通過布爾運(yùn)算進(jìn)行宏觀隨機(jī)裂隙的挖除，進(jìn)而劃分網(wǎng)格。

圖2 Autocad中生成的隨機(jī)裂隙面

最后，把Ansys網(wǎng)格單元模型中的節(jié)點(diǎn)及單元數(shù)據(jù)以lis類型文件導(dǎo)出，運(yùn)用已編程序?qū)is文件轉(zhuǎn)換成FLAC3D可以識(shí)別導(dǎo)入的flac3d類型文件。通過命令：

impgrid

將網(wǎng)格模型調(diào)入FLAC3D進(jìn)行數(shù)值分析。

3 簡單隨機(jī)裂隙模型舉例

以簡單巷道開挖為例，試驗(yàn)宏觀隨機(jī)裂隙模型在FLAC中的模擬應(yīng)用。本模型尺寸為：40m×30m×20m的立方體，當(dāng)中有一近4m×3m尺寸的拱形巷道。隨機(jī)裂隙模型總體節(jié)點(diǎn)數(shù)22860個(gè)，單元數(shù)量129107個(gè)；非裂隙模型總節(jié)點(diǎn)數(shù)1467個(gè)，單元數(shù)量1135個(gè)。模型采用摩爾庫侖塑性破壞準(zhǔn)則進(jìn)行分析。材料參數(shù)見表1。

表1 巖石材料參數(shù)

模型依靠重力平衡，然后再挖去巷道范圍應(yīng)力場二次重分布引起巖體塑性變形，巷道開挖后兩種模型在y=15m剖面的塑性區(qū)范圍見圖3。

圖3 塑性區(qū)分布圖

圖5中巷道開挖引起圍巖受拉破壞，兩種模型巷道頂板及底板受開挖影響的破壞范圍基本一致。但隨機(jī)裂隙模型在裂隙周圍還存在拉剪塑性區(qū)，這加大了破壞面積，說明現(xiàn)實(shí)工程巖體的穩(wěn)定性受裂隙分布的影響很大。根據(jù)斷裂理論，巖體內(nèi)存在的節(jié)理裂隙、空隙等弱面，在一定程度上降低了工程結(jié)構(gòu)的承載能力，易使工程失穩(wěn)破壞。

4 結(jié)論

根據(jù)工程巖體內(nèi)存在裂隙的特點(diǎn)，研究應(yīng)用VB程序?qū)utocad進(jìn)行二次開發(fā)，在其cad繪圖窗口生成隨機(jī)裂隙面組，然后將其轉(zhuǎn)入Ansys中進(jìn)行模型整體設(shè)計(jì)，最后導(dǎo)入FLAC3D中進(jìn)行模擬分析。從裂隙模型應(yīng)用結(jié)果來看隨機(jī)裂隙的存在使得巖體內(nèi)塑性范圍加大。根據(jù)斷裂理論，巖體內(nèi)存在的節(jié)理裂隙、空隙等弱面，在一定程度上降低了工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。同時(shí)，隨機(jī)裂隙模型比非裂隙模型的單元網(wǎng)格數(shù)量大數(shù)十倍，這是因?yàn)殡S機(jī)裂隙模型不易按規(guī)整方式劃分網(wǎng)格的緣故，這將耗費(fèi)掉一定的計(jì)算機(jī)內(nèi)存。

[1] 丁萬濤.隨機(jī)裂隙對(duì)節(jié)理巖體穩(wěn)定性影響研究及其在海底隧道中的應(yīng)用[D].濟(jì)南：山東大學(xué),2008.

[2] 彭文斌.FLAC 3D實(shí)用教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[3] 張晉西. Visual Basic與AutoCAD二次開發(fā)[M].北京：清華大學(xué)出版社, 2002.

[4] 邢靜忠,李軍,等.ANSYS的建模方法和網(wǎng)格劃分[J].中國水運(yùn)，2006.6(9):116-118.

[5] 李新平,朱瑞庚,夏元友.裂隙分布對(duì)地下硐室穩(wěn)定性的影響研究[J].金屬礦山，1997(3):15-18.

[6] 程靳,趙樹山.斷裂力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2008.