节理蠕变模型(joint creep model)
1 引言
蠕变(Creep)是岩体在低于其屈服应力下的粘性变形。Itasca软件内置了10种蠕变本构模型【蠕变模型的FISH和Python函数(Creep Model)】:
不过,这些蠕变模型仅适用于岩石的蠕变,节理的蠕变行为具有特殊的性质,因而这个问题只为3DEC而产生。节理的蠕变行为不仅取决于节理表面的粗糙度,而且取决于节理内的填充材料。
2 节理蠕变形为
如果节理没有充填任何材料,则蠕变行为取决于节理的表面特征【起伏角(Waviness Angle)对岩体节理剪切强度(Shear Strength)的增强作用】。在平面节理中,蠕变位移是由粘结和摩擦(adhesion-frictional)机制控制的;而在粗糙的节理中,由于应力集中在凹凸处,当凹凸处逐渐屈服,剪应力重新分配到其他完整的凹凸处时,就会造成滑移。这种类型的节理通常不需要考虑节理的蠕变行为,只需要按照普通的滑动准则判别即可。
如果节理内有充填材料,无论是自然形成的还是人工填充的摩擦性或粘结性材料,蠕变是由填充材料的特性控制的。这种类型的节理不能使用岩石的蠕变本构模型。
为了模拟填充材料引起的蠕变,3DEC 7.0发展了一个新的节理蠕变模型(joint creep model){Power Law Creeping Joint Model In 3DEC},这个模型基于诺顿定律(Norton’s law),通常用来模拟软岩在剪切载荷下的蠕变行为,称之为幂蠕变节理模型(Power Joint Model),这个模型的特点是在剪切方向上有粘弹性行为,在法线方向上有弹塑性行为。假定粘弹性单元和塑性单元为串联作用,粘弹性行为对应于诺顿定律(Norton’s law),塑性行为对应于Mohr-Coulomb模型。节理蠕变模型的调用命令如下:block contact assign jmodel power
(4) 岩石的粘结力、内摩擦角、膨胀角以及抗拉强度(5) 岩石的残余粘结力、内摩擦角和抗拉强度
(5) 两个幂常量(Power-law constant)(6) 两个幂指数(Power-law exponent)(7) 两个参考应力(Reference stress) 节理蠕变模型的参数主要是基于试验获得,因而校准这些参数是成功使用该模型的挑战任务。
block contact property stiffness-normal [_jkn] stiffness-shear [_jks] ...
cohesion [_jcoh] friction [_jfri] tension [_jten] ...
friction-residual [_jfri] ...
constant-1 [_jpow_a1] exponent-1 [_jpow_n1]
4 结束语
尽管节理内填充充填物是一种普遍现象,其蠕变性能对岩体稳定性和支护设计具有很大指导作用,但是似乎很少有人进行专门研究。除了Höwing K.D. and Kutter H.K. (1985) Time-dependent shear deformation of filled rock joints: a keynote lecture. 的文献外,仅发现了一篇研究报告:Rune Glamheden and Harald Hökmark (2010) Creep in jointed rock masses State of knowledge. 44p. 在这个研究报告中,他们进行了充填节理岩体的蠕变实验。