D0I:10.13374/j.issm1001-053x.2006.03.002 第28卷第3期 北京科技大学学报 Vol.28 No.3 2006年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.2006 断层-围岩系统的形成过程及快速回跳数值模拟 王学滨 辽宁工程技术大学力学与工程科学系，卓新123000 摘要采用FLAC模拟了断层围岩系统的形成过程及位移的分布规律.计算中采用了莫尔-库 仑与拉破坏复合的破坏准则，峰后岩石本构关系为线性应变软化.两条断层带（或剪切带）汇交时 系统形成，之后其承载能力下降.在断层带左侧，由于在系统承载能力降低的过程中，弹性应变的 快速恢复，出现了快速回跳现象（系统失稳）.在断层带之外，位移分布是均匀的，在断层带位置， 存在较大的位移梯度.系统承载能力越低，位移梯度越大.远离加载端的区域先回跳，然后回跳区 域逐渐扩大，向加载端传播，直到整个系统都回跳，上述过程持续的时间步数较少，说明了系统失 稳的突发性，系统整体回跳发生于应变软化阶段 关键词岩石力学；断层-围岩系统；应变软化；承载能力；平面应变：位移梯度 分类号TD32 岩石结构的失稳现象广泛存在于多种岩土工 带法线上的位移分布规律及快速回跳现象 程实践中，例如：在水电、铁道建设及运行中，岩 1本构关系及计算模型 石结构的失稳经常会引起地下洞室岩爆等灾害； 在矿山开采中，岩石结构的失稳经常会引起冲击 计算模型的几何尺寸、单元划分及边界条件 地压、矿震等灾害.其后果严重影响经济建设和 见图1.x及y坐标原点O位于试样的左下角 能源工业的健康发展，会造成巨大的财产损失和 在试样的下端面的右半部施加常速度v=3× 重大的人员伤亡.因此，岩石结构的变形、破坏及 109m/时步，计算在小变形模式及平面应变状 稳定性等问题是岩土工程实践中迫切需要解决的态下进行，在试样的左边界及右边界，施加滑动 重要课题之一. 铰支座约束；在试样的下端面的右半部及上端面 到目前为止，研究人员已经对矿山岩石结构 的左半部，施加固定铰支座约束.试样的宽度为5 的变形、破坏及稳定性等问题已经开展了许多有 cm,高度为10cm. 意义的讨论16].文献[7-12]研究了断层-围岩 系统在直接剪切及单轴压缩条件下的变形、破坏 及稳定性等问题，其主要研究特色是采用了梯度 塑性理论.在梯度塑性理论中，断层带的宽度、断 层带的耗散势能、峰后刚度及失稳判据等都可以 用解析式表示；而且，断层带内部具有不均匀的 (塑性)剪切应变，这与有关的观测相符.但是，上 述研究所采用的力学模型相对都比较简单，离真 实岩土材料受力状态还有不少差距.由于在理论 上研究上述问题的难度很大，因此非常有必要开 展一定的数值计算工作. 区别于以往的研究工作，本工作是采用拉格 朗日元法模拟断层-围岩系统的形成过程、断层 收稿日期：2005-01-30修回日期：200503-14 图1模型的几何特征及边界亲件 基金项目：国家自然科学青年基金项目(No.50309004) Fig.1 Geometry and boundary conditions of the model 作者简介：王学滨(1974一)，男，讲师第 2 8 卷 第 3 期 2 0 0 6年 3 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e r s i ty o f S e i e n e e a n d eT c h n o l o yg B e幼i n g V o l . 2 8 N 0 . 3 M 盯 。 2 0 0 6 断层一 围岩系统的形成过程及 快速 回 跳数值模拟 王 学滨 辽宁工程技术大学力学与工程科学系 , 阜新 12 3 0 0 摘 要 采用 F L A C 模拟了断层一 围岩 系统的形成过 程及位移的分布规律 . 计算 中采用 了莫尔一库 仑与拉破坏复合的破坏准则 , 峰后岩石本构关系为线性应变软 化 , 两条断层带 ( 或剪切带 ) 汇交 时 系统形成 , 之后其承载能力下降 . 在断层带左侧 , 由于 在系统承载能力 降低的过程 中 , 弹性应变 的 快速恢复 , 出现 了快速 回跳现象 (系统失稳 ) . 在 断层带之外 , 位 移分 布是均匀 的 . 在 断层带位置 , 存在较大的位移梯度 . 系统承载能力越低 , 位移梯度越大 . 远离加载端 的区域先 回跳 , 然后 回跳 区 域逐渐扩大 , 向加载端传播 , 直到整个系统都 回跳 . 上述过程持续 的时 间步数较少 , 说 明了系统 失 稳的突发性 . 系统整体 回跳发生于应变软化阶段 . 关键词 岩石力学 ; 断层一围岩系统 ; 应变软化 ; 承载 能力 ; 平面应变 ; 位 移梯度 分类号 T D 犯 岩石 结构 的失稳现象广泛存在于 多种岩土 工 程实践 中 . 例 如 : 在 水电 、 铁 道 建设 及 运 行 中 , 岩 石结 构 的失稳经 常 会 引起 地 下 洞室 岩爆 等灾 害 ; 在矿 山开采 中 , 岩 石 结 构 的失 稳 经 常会 引起 冲击 地 压 、 矿 震等灾 害 . 其 后果 严重 影 响经 济建设 和 能源 工业 的健康 发 展 , 会造 成 巨大 的财 产损 失 和 重 大的 人员伤 亡 . 因此 , 岩石 结构 的变形 、 破坏 及 稳定性等问题是 岩土工 程实践 中迫切 需要解决的 重 要课题 之一 到 目前 为止 , 研究 人员 已 经对 矿 山岩 石 结 构 的变形 、 破 坏及 稳 定性等问题 已 经开 展 了许多 有 意义的 讨论 [ ` 一 “ 〕 . 文 献 「7 一 12 」研 究 了 断 层一 围岩 系统在直接 剪 切及 单 轴压缩 条 件下 的 变形 、 破 坏 及稳定性等问题 , 其 主要 研 究特色 是采 用 了梯 度 塑性理论 . 在梯度 塑性理论 中 , 断 层带 的宽度 、 断 层带的耗散势能 、 峰后 刚 度及 失稳 判据 等都可 以 用解 析 式 表示 ; 而 且 , 断 层 带 内部 具有 不均 匀 的 ( 塑性 )剪切应 变 , 这 与有关的观 测相 符 . 但是 , 上 述研 究所采用 的力学 模型相 对 都 比较 简 单 , 离真 实岩土 材料受力状 态还有 不少 差距 . 由于在 理论 上研 究上述问题的难度 很大 , 因此 非 常有 必 要 开 展一 定 的数值计算工 作 . 区别于 以往 的研 究 工作 , 本工 作是 采 用 拉 格 朗 日元 法模 拟 断 层 一 围岩 系统 的形 成 过 程 、 断 层 收稿 日期 : 20 0 5 一 0 1 一3 0 修回 日期 : 2 0 0 5 一 0 3 一 14 基金项 目: 国家 自然科学青年基金项 目 ( N o . 5 0 30 9 0 0 4) 作者简介 : 王 学滨( 1 9 7 4一 ) , 男 , 讲师 带法 线上 的位移分布规律及 快速 回 跳现象 . 1 本构关系及 计算模型 计算模型 的 几何尺 寸 、 单 元划 分及 边 界条 件 见 图 1 . x 及 y 坐 标 原 点 O 位 于 试 样 的左 下 角 . 在试 样 的 下端 面 的右 半 部 施 加 常 速 度 v = 3 x 1 0 一 ” m /时 步 . 计 算 在 小变形 模式 及 平面 应变状 态下 进 行 . 在 试 样 的左 边 界及 右 边界 , 施 加 滑 动 铰支 座约束 ; 在试 样 的下端 面 的右 半 部及 上 端 面 的左半部 , 施加 固定铰支 座约束 . 试样 的宽度为 5 e m , 高度为 1 0 c m . 哟。日 . 0 图 1 模型 的几何特征及边界条件 F ig . 1 eG om e tyr a n d bo u n d a r y e o n d i t i o n s o f t h e m do e l DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2006. 03. 002