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摘要：在节理岩体中开挖工程时，因原有应力状态的变化，其中原生裂隙会发生扩展，并重生成新裂隙，从而劣化了其力学和强度特性，本文通过数值模拟实验的方法研究这些裂隙的起裂、扩展、贯通和破坏过程，并得到了相应的应力应变关系曲线。
关键词：地下工程；节理岩体；裂隙扩展；数值分析；
Abstract: During the excavation in the jointed rock mass process, because of the change of stress state, the original fracture will extend, and generate a new crack, resulting in degradation of the mechanical and strength properties. This paper through numerical simulation and experiment method of the crack initiation, propagation, coalescence and failure process, and obtained the the corresponding curve of the stress-strain relationship.
Keywords: underground engineering; jointed rock mass; crack propagation; numerical analysis;
中图分类号：TV554文献标识码：A文章编号：
引言：
最近几年岩土工程在国内迅速发展，许多基本建设和生产建设都要涉及到大量的岩石工程的开挖支护工作。岩体在经工程开挖的扰动后，其力学特性、强度和工程稳定性主要是被其中的薄弱部分，即断层、节理、裂隙等结构面所控制。在承受工程荷载时，岩体中大量的裂隙开始萌生、扩展和贯通，导致岩体介质力学性能的劣化以致最终破坏[1-4]。因此，岩体中原生裂隙的起裂、扩展和演化过程、破裂模式及其对工程岩体的影响一直为相关工程界所重视，成为研究的热点。也是一项很重要的基础性研究工作。对于揭示岩体的破坏机理、评价岩土工程的安全可靠性更具有十分重要的实际意义。
1 数值模拟实验
本文的数值模拟程序采用行波法将计算区域自动剖分成三角形块体单元，采用粘结单元，对虚拟节理赋予岩石的材料参数，真实节理则赋予裂隙的材料参数。该方法可以模拟岩体中裂隙萌生、扩展、贯通和岩体破碎全过程，适用于断续分布节理的岩体乃至完全不连续岩体等任意情形。
在材料不均匀性方面，岩体的力学参数采用Weibull分布以模拟其不均匀性,在裂隙开裂算法方面，对于块体剖分过程中生成的虚拟节理(实为连续区域，只是为了细分网格添加的虚拟线条)，采用粘结算法进行处理。
2不同裂隙间距对试件强度的影响
在五种间距长度比（d1/c)的工况下进行单轴压缩试验模拟，其总体破裂过程基本类似。可看出即在加载初始阶段，裂隙尖端首先起裂，翼裂纹扩展，随后原生裂隙周围出现小的次生裂纹，随着荷载的进一步增加，次生裂纹继续萌生和扩展，最后试件完全破坏。
但每种工况又有所不同。当d1/c小于1.5时，裂隙间的相互影响作用较大，裂隙内部翼裂纹的扩展速度较外侧翼裂纹慢，且翼裂纹间出现较多次生裂纹；当d1/c大于1.5时，裂隙间的相互影响作用减小，内部翼裂纹扩展自由，鲜有产生搭接；外部翼裂纹扩展稍缓慢。下部裂隙的下缘裂纹扩展受阻，试件的破坏主要是由裂隙①上缘翼裂纹先到达试件顶端后造成的。不同裂隙间距条件下，各工况试件峰值强度值和起裂应力值见表1（括号内数字表明其与峰值应力之比）。
表1不同裂隙间距的峰值强度和起裂应力
从表1中可以看出d1/c =1.5时峰值最高，而该值为1和2时峰值较低，而当为0.5和2.5时该值又有所上升。因此其值的变动呈现出一种W形的规律。
3不同裂隙间距对试件泊松系数的影响
将侧向应变除以轴向应变所得到的参数定义为广义泊松系数，对弹性介质来说，泊松比不可能大于0.5，但我们研究的是节理岩体，泊松系数可以大于0.5，甚至是大于1，通过计算分析得到各工况的泊松系数随计算时间步的变化关系如下图1。其中完整试件的泊松比在0.30左右。
图1 各工况试件泊松系数随时间步的变化关系
从上图可以看到，各工况泊松系数的变化趋势走向基本相同。在压密阶段，随着步数的增加，泊松系数迅速增大，对弹性阶段各工況泊松系数分别为0.70、0.67、0.41、0.35、0.31，可知此阶段泊松系数随着裂隙间距的增加而降低。试件起裂后，泊松系数又突然增加，进入裂纹非稳定扩展阶段后，泊松系数缓慢增加，试件达到峰值强度时各工况对应的泊松系数又有所增大。
3结论
本文基于非连续变形分析方法的基本原理，主要从数值模拟的角度对裂隙试件的破坏过程及应力应变关系进行分析研究，研究了不同裂隙间距对试件的强度与泊松比的影响。得到如下结论：不同裂隙间距对试件强度的影响值的变动呈现出一种W形的规律；不同裂隙间距对试件泊松系数的影响，在压密阶段泊松系数迅速增大，对弹性阶段泊松系数随着裂隙间距的增加而降低，试件起裂到裂纹非稳定扩展阶段到峰值强度，泊松系数持续增加。
参考文献：
朱维申, 李术才, 陈卫忠. 节理岩体破坏机理和锚固效应及工程应用[M]. 北京: 科学出版社, 2002
焦玉勇，张秀丽，李廷春. 模拟节理岩土破坏全过程的DDARF方法[M]. 北京: 科学出版社,2010.
石根华(美), 裴觉民(译) .数值流形方法与非连续变形分析[M]. 北京: 清华大学出版社,1997.
Genhua Shi. Block System Modeling by Discontinuous Deformation Analysis [M]. Southampton, UK and Boston, USA: Computational Mechanics Publications, 1993.
关键词：地下工程；节理岩体；裂隙扩展；数值分析；
Abstract: During the excavation in the jointed rock mass process, because of the change of stress state, the original fracture will extend, and generate a new crack, resulting in degradation of the mechanical and strength properties. This paper through numerical simulation and experiment method of the crack initiation, propagation, coalescence and failure process, and obtained the the corresponding curve of the stress-strain relationship.
Keywords: underground engineering; jointed rock mass; crack propagation; numerical analysis;
中图分类号：TV554文献标识码：A文章编号：
引言：
最近几年岩土工程在国内迅速发展，许多基本建设和生产建设都要涉及到大量的岩石工程的开挖支护工作。岩体在经工程开挖的扰动后，其力学特性、强度和工程稳定性主要是被其中的薄弱部分，即断层、节理、裂隙等结构面所控制。在承受工程荷载时，岩体中大量的裂隙开始萌生、扩展和贯通，导致岩体介质力学性能的劣化以致最终破坏[1-4]。因此，岩体中原生裂隙的起裂、扩展和演化过程、破裂模式及其对工程岩体的影响一直为相关工程界所重视，成为研究的热点。也是一项很重要的基础性研究工作。对于揭示岩体的破坏机理、评价岩土工程的安全可靠性更具有十分重要的实际意义。
1 数值模拟实验
本文的数值模拟程序采用行波法将计算区域自动剖分成三角形块体单元，采用粘结单元，对虚拟节理赋予岩石的材料参数，真实节理则赋予裂隙的材料参数。该方法可以模拟岩体中裂隙萌生、扩展、贯通和岩体破碎全过程，适用于断续分布节理的岩体乃至完全不连续岩体等任意情形。
在材料不均匀性方面，岩体的力学参数采用Weibull分布以模拟其不均匀性,在裂隙开裂算法方面，对于块体剖分过程中生成的虚拟节理(实为连续区域，只是为了细分网格添加的虚拟线条)，采用粘结算法进行处理。
2不同裂隙间距对试件强度的影响
在五种间距长度比（d1/c)的工况下进行单轴压缩试验模拟，其总体破裂过程基本类似。可看出即在加载初始阶段，裂隙尖端首先起裂，翼裂纹扩展，随后原生裂隙周围出现小的次生裂纹，随着荷载的进一步增加，次生裂纹继续萌生和扩展，最后试件完全破坏。
但每种工况又有所不同。当d1/c小于1.5时，裂隙间的相互影响作用较大，裂隙内部翼裂纹的扩展速度较外侧翼裂纹慢，且翼裂纹间出现较多次生裂纹；当d1/c大于1.5时，裂隙间的相互影响作用减小，内部翼裂纹扩展自由，鲜有产生搭接；外部翼裂纹扩展稍缓慢。下部裂隙的下缘裂纹扩展受阻，试件的破坏主要是由裂隙①上缘翼裂纹先到达试件顶端后造成的。不同裂隙间距条件下，各工况试件峰值强度值和起裂应力值见表1（括号内数字表明其与峰值应力之比）。
表1不同裂隙间距的峰值强度和起裂应力
从表1中可以看出d1/c =1.5时峰值最高，而该值为1和2时峰值较低，而当为0.5和2.5时该值又有所上升。因此其值的变动呈现出一种W形的规律。
3不同裂隙间距对试件泊松系数的影响
将侧向应变除以轴向应变所得到的参数定义为广义泊松系数，对弹性介质来说，泊松比不可能大于0.5，但我们研究的是节理岩体，泊松系数可以大于0.5，甚至是大于1，通过计算分析得到各工况的泊松系数随计算时间步的变化关系如下图1。其中完整试件的泊松比在0.30左右。
图1 各工况试件泊松系数随时间步的变化关系
从上图可以看到，各工况泊松系数的变化趋势走向基本相同。在压密阶段，随着步数的增加，泊松系数迅速增大，对弹性阶段各工況泊松系数分别为0.70、0.67、0.41、0.35、0.31，可知此阶段泊松系数随着裂隙间距的增加而降低。试件起裂后，泊松系数又突然增加，进入裂纹非稳定扩展阶段后，泊松系数缓慢增加，试件达到峰值强度时各工况对应的泊松系数又有所增大。
3结论
本文基于非连续变形分析方法的基本原理，主要从数值模拟的角度对裂隙试件的破坏过程及应力应变关系进行分析研究，研究了不同裂隙间距对试件的强度与泊松比的影响。得到如下结论：不同裂隙间距对试件强度的影响值的变动呈现出一种W形的规律；不同裂隙间距对试件泊松系数的影响，在压密阶段泊松系数迅速增大，对弹性阶段泊松系数随着裂隙间距的增加而降低，试件起裂到裂纹非稳定扩展阶段到峰值强度，泊松系数持续增加。
参考文献：
朱维申, 李术才, 陈卫忠. 节理岩体破坏机理和锚固效应及工程应用[M]. 北京: 科学出版社, 2002
焦玉勇，张秀丽，李廷春. 模拟节理岩土破坏全过程的DDARF方法[M]. 北京: 科学出版社,2010.
石根华(美), 裴觉民(译) .数值流形方法与非连续变形分析[M]. 北京: 清华大学出版社,1997.
Genhua Shi. Block System Modeling by Discontinuous Deformation Analysis [M]. Southampton, UK and Boston, USA: Computational Mechanics Publications, 1993.