IMASS---FLAC3D和3DEC新的本构模型(2)
1 引言
在《IMASS---FLAC3D和3DEC新的本构模型(1)》简要描述了IMASS模型以及在FLAC3D和3DEC中的调用方法。IMASS模型式是基于应变软化模型发展起来的，通过调节与应变相关的材料属性来反映由应力变化引起的膨胀和体积变化。借助于IMASS模型的数值模拟，能够帮助采矿工程师优化崩落采矿的溜井布置和爆破控制。下面简要描述这个模型影响哪些材料属性。
2 IMASS调节的材料参数
IMASS模型通过调节应变和单元尺寸相关的属性来表示岩体对应力变化的响应，以反映岩体在经历塑性变形时膨胀和体积变化的影响，它们包括：
(1) 岩体屈服【rock mass yielding】
(2) 模量软化【modulus softening】
(3) 密度调节【density adjustment】
(4) 膨胀，包括膨胀关闭【dilation, including dilation shut-off】
(5) 按单元尺寸缩放属性【scaling of properties to zone-size】
(6) 粘结力弱化【cohesion weakening】
(7) 拉力弱化【tension weakening】
(8) 摩擦力强化【frictional strengthening】
这些影响通过预定义的破坏准则来实现，下面描述的理论背景解释了这一过程。
3 IMASS的理论背景
IMASS模型合并了一个Hoek-Brown岩体强度峰值(Peak Strength)包络线和两个软化(残余)屈服包络线，如下图所示。两个软化(或残余)屈服包络线表示岩体的两阶段软化行为，区分岩体中的损伤(由断裂和相关的粘结力和抗拉强度损失引起)和后续扰动(由于体积膨胀)。IMASS中的这种两阶段软化/弱化特性对于准确表征地下开挖和露天采矿应用中的岩体峰值后(Post-peak)行为至关重要。
IMASS本构模型的屈服面
峰值强度包络线(红色曲线)由广义Hoek-Brown准则定义:
两个残余包络线描述了无内聚力、完全摩擦，具有不同的互锁程度材料的行为。第一个残余包络线代表了岩石峰值后(Post-peak)的强度（虚线，蓝色曲线）。此时假定岩体已发生裂缝，但所产生的岩石碎片仍是完全互锁的，孔隙率为零。第二个残余包络线代表岩体的极限残余强度(Ultimate Strength)(绿色曲线)。此时，岩石碎片的互锁程度达到最低，孔隙率最大(高达40%)。
IMASS岩体的应力-应变行为响应如下图所示，该图显示了岩体从峰值到峰值后，再到极限强度之间的软化/弱化尺度。
IMASS本构模型的材料响应
第一阶段是从峰值到峰值后。在这一阶段，由于应力变化导致完整岩石断裂，破坏由累积的塑性剪切应变引起。一旦岩体达到 "临界塑性剪切应变"，且其强度等于峰值后的强度，则第一阶段结束。第二阶段是从峰值后到极限强度。在这一阶段，额外的应变和扰动导致岩块重新排列，孔隙度(高达40%)和渗透性显著增加，累积的体积应变导致强度损失。当岩体达到 "最大体积应变 "时，第二阶段结束。此时岩体已达到其极限残余强度，其强度不会随着额外的应变而进一步发展。
在IMASS可以使用Ubiquitous Joint(UJ)来表示软弱夹层。UJ可以参考
Ubiquitous-Joint Model和Bilinear Strain-Hardening / Softening Ubiquitous-Joint Model
zone cmodel assign ubiquitous-joint (FLAC3D)
block zone cmodel assign ubiquitous (3DEC)
4 参考文献
[1] Matthew Pierce (2013) Numerical Modeling of Rock Mass Weakening, Bulking and Softening Associated with Cave Mining. ARMA e-NEWSLETTER.
[2] Hoek, E. and E. T. Brown (2019). "The Hoek-Brown failure criterion and GSI - 2018 edition." Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 11(3): 445-463.
[3] E. Hoek, C. Carranza-Torres and B. Corkum (2002) Hoek-Brown failure criterion – 2002 edition. Proceedings of 5th North American Rock Mechanics Symposium and 17th Tunnelling Association of Canada Conference, R. Hammah, W. Bawden, J. Curran and M. Telesnicki, Eds., University of Toronto Press, Toronto, Vol. 1, 2002,267–273.
[4] Sainsbury, B., M. E. Pierce and D. Mas Ivars. “Analysis of Caving Behaviour Using a Synthetic Rock Mass – Ubiquitous Joint Rock Mass Modelling Technique,” in SHIRMS 2008 (Proceedings of the 1st Southern Hemisphere International Rock Mechanics Symposium, Perth, Western Australia, September 2008), Vol. 1, pp. 343-352. Y. Potvin et al., eds. Nedlands, Western Australia: Australian Centre for Geomechanics (2008).
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