IMASS---FLAC3D和3DEC新的本构模型(1)

1 引言

IMASS代表着Itasca Constitutive Model for Advanced Strain Softening (IMASS)，它是Itasca咨询公司发展的高级应变软化模型，用来表示岩体开挖引起围岩应力变化的反应。IMASS表示了边坡，崩落，矿柱，空场和其它开挖围岩的损伤程度，通过连续计算岩体从完整的、节理化的和/或脉状岩石到离散的、块状的材料的渐近破坏和解体。IMASS以经验关系式Hoek-Brown准则为基础，使用应变和单元相关的属性，反映了岩体发生塑性变形时体积变化的影响。基于先前发展的CaveHoek本构模型，IMASS能够确切模拟复杂应力路径下的岩石质量行为，特别是脆性岩石行为。IMASS目前主要用于自然崩落采矿法的采矿进程研究。

IMASS包含两个软化(或残余)屈服包络线，以表示岩体的两阶段的软化行为，区分岩体行为中的损伤(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/减弱行为对于准确表示地下和露天采矿应用中的岩体峰值后行为至关重要。

2 岩体对开挖的响应

IMASS捕捉岩体加载到其峰值强度，然后随着应变的增加，强度在峰值后降低到某种残余水平的总体过程。通常称之为 "应变-软化 "过程，是应变依赖材料特性变化的结果。下图所示的是岩体质量对崩落反应的概念模型，整体的应变-软化模型可以代表这种材料行为，以及它如何与岩体质量反应的不同状态相联。

在开挖过程中控制岩体整体行为的四个最关键因素总结如下：

(1) 粘结力和拉力减弱及摩擦力加强。当岩体变形时，它经历了强度的降低，从其原位峰值降低到残余值。一般来说，块状至中等节理的岩块会因断裂及相关的粘结力和抗拉强度损失而减弱，但由于摩擦运动和体积膨胀的综合作用，导致了摩檫力增强，这是因为断裂岩块的空间重排和孔隙度增加所导致的。

(2) 峰值后的脆性。当受载材料积累塑性变形时，强度从峰值下降到残余值的速度称为脆性(brittleness)。在持续加载下仍能保持其峰值强度的岩石被称为完全塑性（延展性）。当岩石的强度超过其峰值强度时，瞬间下降到剩余强度特性的岩石质量被称为完全脆性。因此，脆性控制着应力从屈服的岩体上随着累积应变脱落的快慢。

(3) 模量软化。在屈服和运动过程中，岩石质量随着完整岩块断裂、分离和旋转而增加体积。当岩石体积变大时，模量将会减少。表示刚度的降低对于评估地下开挖围岩不断演变的应力状态至关重要，因为随着岩体体积膨胀，其承载力会降低。

(4) 膨胀行为。膨胀是随着剪切变形而发生的岩石体积变化。准确评估和表示联合岩体膨胀行为对于预测塑性变形过程中的正确体积增加至关重要，这将影响岩石质量的限定强度。

3 IMASS在FLAC3D和3DEC的调用

为了调用IMASS模型，FLAC3D使用如下命令：

model config imasszone cmodel imass

3DEC使用如下命令：

model config imassblock zone cmodel imass

模型输入的参数有六个：

(1) 岩石密度;

(2) Hoek-Brown准则中的GSI；

(3) 原岩单轴抗压强度UCS；

沉积岩

火成岩

变质岩

(4) Hoek-Brown准则中的材料常数mi;

(5) 原岩的模量;

(6) 临界塑性剪应变系数。

命令格式与其它本构模型的命令相同。

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] Ghazvinian, E., T. Garza-Cruz, L. Bouzeran, M. Fuenzalida, Z. Cheng, C. Cancino, and M. Pierce (2020). "Theory and Implementation of the Itasca Constitutive Model for Advanced Strain Softening (IMASS)," in Proceedings Eighth International Conference and Exhibition on Mass Mining (MassMin 2020): Santiago).

[3] Kaiser, P., R. Bewick, F. Amman, and M. Pierce (2015). "Best Practice in Rock Mass Characterization for Brittle Rock Masses," Rio Tinto Centre for Underground Mine Construction, copyright Rio Tinto.

[4] FLAC3D, 3DEC 7.0 用户手册

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