合成岩体(SRM)模拟估算节理化岩体强度
1 引言
确定节理岩体的强度是岩石力学和岩石工程中重要且具有挑战性的任务。在实践中，主要依靠经验方法确定岩体强度，最广泛使用的方法是hoek-Brown准则。合成岩体模拟提供了一种新的途径确定岩体强度。合成岩体模拟(SRM, Synthetic Rock Mass)结合了离散断裂网络模拟DFN和粘结颗粒模型BPM，以模拟节理岩体的力学行为。SRM使用粘结颗粒模型BPM表示完整岩石，使用平滑接触模型SJM表示原位节理网络。这种技术可以用作虚拟实验室，进行数值实验以获取节理岩体的本构行为(峰前和峰后)。SRM方法可应用于10-100米尺度的岩体。本文简要回顾了SRM的工作原理，显示了使用合成岩体模拟估计节理化砂岩岩体强度的案例研究。
2 粘结颗粒模型BPM
粘结颗粒模型(BPM)用于完整岩石，其中损伤被表示为断裂的键，这些键在加载期间形成和聚合成宏观裂缝。已经证明BPM可以复 制许多岩石行为的特征，包括弹性、断裂、声发射、损伤积累产生材料各向异性、滞后、膨胀、峰后软化和强度随围压的增加而增加。BPM的一个优点是不对断裂位置和破坏模式进行任何假设。在该方法中，裂纹和滑动是自发的特征，并会自然发生，导致各种力学行为和破坏机制的出现。
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2007年5月, 在温哥华举办的第一届Canada-U.S.岩石力学会议上, Itasca公司提交了一篇论文<节理化岩石的合成岩体模型---A Synthetic Rock Mass Model for Jointed Rock>，目的是用来估算节理化岩体的力学行为。在SRM中，首先使用DFN模拟构造出一组不规则的节理网络，其中每条节理都有不同的方向、长度和间距。然后使用BPM模拟粒子间的相互作用，以模拟岩体的内部结构和应力传递过程。SRM模型可以通过修改节点的属性来模拟不同类型和方向的节理，并通过模拟加载和失稳过程来预测岩体的破坏模式和强度特征。SRM方法的优点之一是可以考虑岩体中存在的所有节理，包括小于采样尺度的细节，这是传统经验方法难以处理的。另一个优点是，可以使用SRM进行多尺度建模，从局部细节到整体结构进行分析，以更好地了解节理对岩体行为的影响。
然而，SRM方法也存在一些限制。首先，需要对样本的参数进行敏感性分析，以确定SRM模型的参数空间。其次，对于具有高度非线性和复杂岩石结构问题，SRM方法可能需要更复杂的模型来更好地描述它们的行为。此外，SRM方法的计算成本较高，需要大量的计算资源和时间。总体而言，SRM方法是一种有效的工具，可以帮助我们更好地理解节理对岩体行为的影响，并为岩体力学和岩石工程提供有价值的预测和分析方法。
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4 案例研究
下面描述的是一个关于使用合成岩体模拟来估计节理化砂岩岩体强度的案例研究，其步骤遵循了Cundall等人(2008)所描述的SRM方法。霍克斯伯里砂岩(Hawkesbury sandstone)是悉尼市的基岩，承载着许多重要的土木和采矿开挖工程，包括高速公路隧道、边坡、地下停车场、储藏设施、水库、桥梁、采石场、房屋基础、长壁开采和天然悬崖。霍克斯伯里砂岩也用作土木和采矿结构的建筑材料。霍克斯伯里砂岩是一种中三叠纪(Triassic)沉积石英砂岩，含有少量长石、粘土和诸如菱铁矿(siderite)之类的铁化合物。霍克斯伯里砂岩是悉尼盆地(basin)沉积物的上部地层之一。该盆地的地质历史包括沉积和多次地球运动。盆地的底部结构是在二叠纪(Permian)和早期地质时期在海洋和沼泽条件下形成的，这产生了砂岩、粉砂岩和相关的煤矸石。自三叠纪以来，悉尼盆地的表面一直处于海平面以上，沉积物的沉积被认为是通过一个巨大的分流河流系统完成的，类似于孟加拉国的现代布拉马普特拉河(Brahmaputra River)。几百万年来，砂逐渐固结成厚达200米的砂岩。
首先，通过实验室试验量化了完整岩石的强度和弹性响应，包括在1、5和10 MPa的围压下进行的单轴压缩强度(UCS)、巴西(Brazilian)和三轴试验(Tri-axial)。其次，通过对加载单轴压缩的粘结颗粒模型(Bonded Particle Model)进行校准，确定了实验室测量的强度和变形参数。第三，通过使用平滑节理模型(SJM, Smooth Joint Model) 在随机位置和方向引入节理集(joint sets)，形成了一个三维合成岩体。然后，将SRM置于一系列应力状态和应力路径中，以估计一定范围的断裂频率(fracture frequencies)的屈服准则和岩体模量。本文旨在将SRM模拟应用于评估不连续对霍克斯伯里砂岩(Hawkesbury sandstone)的大尺度强度的影响。
