节理化岩体模型(Jointed Rock model)---AJRM and UJRM

1 引言

Plaxis的节理化岩体模型(Jointed Rock Model)是一个各向异性的纯弹性模型，即假定岩石呈线弹性变形，塑性剪切只沿着预定的节理面发生。该模型可用于模拟层状或节理岩体的各向异性行为【Plaxis应用于岩石工程问题的本构模型】[Wittke(2014)Rock Mechanics Based on an Anisotropic Jointed Rock Model(AJRM)]。在最新版的Plaxis V22中，这个模型在内部和用户界面上均作了改进，其中最显著的改变是节理面的定义由原来的最大3组改成现在最大的2组。下面简要讨论了这个模型。

2 材料性质

尽管节理岩体模型考虑了节理，但仍然是一个连续性模型，当选择材料为节理岩体模型时，需要输入的参数如下图所示：

(1) 排干类型(Drainage type): 可以选择Drained, 也可以选择Non-porous;

(2) 单位重量(Unit weights);

(3) 岩石的弹性模量E_t和泊松比v_nt;

(4) 节理法向的弹性模量和泊松比v_nt;

(5) 节理法向的剪切模量G_nt;

(6) 节理面的粘结力、内摩擦角和膨胀角;

(7) 节理倾角;

(8) 节理抗拉强度。

3 节理倾角的影响

使用上图中的输入数据，分析了一个岩体边坡的稳定性，比较了节理面倾角30°和120°时的位移。可以看出，当节理倾角较小时，边坡的破坏型式类似于平面破坏，而当倾角呈反倾时，边坡的破坏型式类似于倾倒破坏【屈曲倾倒破坏(flexural toppling failure)】

4 Ubiquitous-Anisotropic模型

考虑岩体各向异性的另一种方法是UJRM(Ubiquitous Joint Rock Mass)，从上面的边坡破坏型式也可以看出，Plaxis的节理岩体模型(JR)类似于Ubiquitous模型，相同之处是节理面的强度参数，不同之处在于Ubiquitous模型考虑了岩石的塑性，而JR模型假定岩石是纯弹性的；另一个不同之处是JR模型考虑了节理面法向的变形，Ubiquitous模型没有考虑这一点儿。

为了弥补Ubiquitous模型的缺陷，FLAC3D和3DEC发展了Ubiquitous-Anisotropic模型(UA)，UA在ubiquitous-joint塑性模型的基础上考虑了Anisotropic的各向异性特征，因此UA结合了各向异性的弹性和弱面破坏的塑性，能够更相对准确地捕捉到层状岩体的受力特征，更好地模拟层状岩体的力学行为，例如层面的滑移，因此目前UA模型的功能类似于JR。

zone cmodel ubiquitous-anisotropic(FLAC3D)block zone cmodel Ubiquitous-anisotropic(3DEC)

UA模型的参数值包括：(1) 弱面的的倾角(dip)和倾向(dip-direction); (2) 节理粘结力(joint-cohesion)，节理膨胀角(joint-dilation), 节理摩擦角(joint-friction), 节理抗拉强度(joint-tension); (3) 弱面的法线方向(normal)或弱面法线方向的分量(normal-x, normal-y, normal-z); (4) 当拉力作用于平面法线方向时，法向泊松比来表征各向同性平面内的横向收缩(poisson-normal), 当拉力作用于平面上时，平面泊松比表征在各向同性平面上的横向收缩(poisson-plane); (5)各向同性的任何法线平面的剪切模量(shear-normal)，各向同性平面的弹性模量(young-plane)，各向同性平面上的弹性模量(young-normal)。