岩石损伤破裂过程数值模拟研究现状

本文摘要：（由ai生成）

岩石损伤破裂数值模拟有直接和间接两种方法。直接法如PFC和格子模型能真实反映岩石损伤，但计算成本高。间接法如RFPA模型视岩石为连续介质，计算简单但无法处理围压和岩石各向异性。Fang等用有限差分法模拟岩石破裂，考虑了围压影响。间接法忽略细观微裂缝演化信息，理论上存在不足。

根据对岩石内部损伤破裂过程的表示方法的不同，目前国内外关于岩石损伤破裂过程的数值模拟方法大致可以分为两种，即直接模拟方法和间接模拟方法。  

（1）直接模拟方法。通过将岩石分解为由一系列独立的细观表征单元，如颗粒、弹簧、梁等，来描述每个细观结构单元的运动状态，如变形、位移、分离、接触等。直接模拟方法中包括离散单元法（FEM）、非连续变形分析法（DDA）和离散元颗粒流方法（PFC）等^[54]。其中比较具有代表性的是PFC方法。从Cundall ^[55]在1971年提出PFC方法以来，经过几十年的发展，其已经在石油、土木、化工、矿业等领域得到广泛使用，它是解决非连续体变形与破坏的一种有效的数值方法。利用PFC可以很好地处理岩石内部细观结构的相互作用以及这些细观结构对宏观力学行为的影响，但是该模型的基本假设是细观结构单元是由一定数量的刚性颗粒组成，这一假设还存在一定的争论，并且其在实际的大尺度工程中运用时，对计算机的硬件水平和计算性能有很高的要求，这一条件目前还难以办到。另外一种十分常用的直接模拟方法是格子模型（Lattice Model），其将细观结构单元离散为杆、梁等基本组成单元，当达到某一强度准则时单元会发生破裂，然后破裂的单元从系统中剔除。Schlangen等^[56]在1997年利用格子模型对岩石内部的损伤演化过程进行模拟。格子模型形式简单，思路清晰，主要适合于拉应力作用下的岩石破坏问题，对于受压型损伤和受剪型损伤的模拟效果与实际情况差别较大。李杰等^[57]在2011年研究混凝土的黏塑性动力损伤模型时将混凝土材料离散为一系列相互并联的弹簧，利用单根弹簧的性质代替了材料的微观性质得到了混凝土在动力加载条件下动力损伤本构模型。直接模拟方法利用细观表征单元真实地描述岩石内部的损伤状态，物理背景比较清晰，能够反映岩石在复杂加载条件下内部微裂缝的演化和扩展，但是其缺点是对计算机的硬件和计算能力有较高的要求，计算的时空开销十分巨大，对于实际的大尺度工程问题往往很难办到。  

（2）间接模拟方法。将实际岩石视为理想的连续介质，采用宏观损伤力学模型间接地描述岩石内部的损伤演化扩展，然后通过细观力学的平均化方法得到岩石的宏观力学性质。目前比较常用的间接模拟方法有RFPA（Rock FailureProcess Analysis）模型。唐春安等^[58]在1997年提出RFPA模型，通过将宏观岩石假设为由若干基本单元组成的连续介质，然后随机赋予基本单元不同的弹性模量、强度等力学参数来近似模拟岩石的非均质性。采用简单的弹—脆性损伤本构关系描述应力—应变关系，当基本单元满足强度准则时，就认为基本单元发生破裂并对其进行刚度弱化处理。通过基本单元渐进式的模拟整个破坏过程来描述岩石宏观破裂过程，直至岩石整个系统发生完全破坏。RFPA模型的优点在于模型计算简单，可以很好的表征岩石的细观非均质性，在实际工程中得到一定程度的应用，但是其无法处理包含围压条件下的力学响应，也无法对岩石的各向异性进行合理完整地描述。Fang等^[59-60]在2002年考虑了围压对岩石基本单元损伤本构的影响，通过有限差分方法结合局部刚度退化原理来模拟岩石破裂过程。间接模拟方法是基于唯像损伤理论来描述细观单元的损伤特性，其忽略了细观尺度真实微裂缝的扩展演化信息，例如微裂缝长度、密度、连通性等，所以间接模拟方法往往缺乏理论上的严密性，难以解释复杂环境下岩石的损伤与破裂现象。