基于ANSYS和FLAC的復雜節理巖體性能分析

安 靜

（山西交通職業技術學院，山西 太原 030031）

0 引言

巖體經歷地質構造運動產生規模不同、產狀各異具一定厚度的不連續地質界面，稱之為巖體的結構面。節理巖體中的常見結構面之一，節理的復雜性與巖體的完整性和連續性，改變其強度和力學特征。節理容易引起巖體破壞失穩，為公路邊坡、地下硐室工程帶來不利影響[1-2]。許多國內外專家以斷裂、損傷力學、數理統計為基礎，并結合現場原位試驗和室內試驗，研究復雜節理巖體的強度特征和力學特性。Obata等[3]通過斷裂力學結合線彈性理論，研究了雁行裂隙的貫通規律，并建立數學模型，分析裂隙相互作用，以此判斷節理巖體的強度特征。將三大巖體分類的公式與現場試驗結果對比后發現各公式擬合程度存在差異。而目前采用的現場原位條件困難，代價昂貴[4]。通過室內試驗推測復雜節理巖體性質較為困難，因此數值模擬成為研究重點。本文充分利用ANSYS軟件的前處理功能，結合FLAC3D的接觸面處理功能，重點針對分析節理巖體對象由于節理分布復雜、規模不均、導致的難以模擬或者模擬失真的問題進行研究，為復雜節理巖體工程的數值分析奠定基礎。

1 本構模型

巖體結構面的節理發展情況通過接觸面模型反應。在FLAC3D中由接觸面單元和空間節點組成結構分析對象，接觸面單元和交界面單元之間的位置如圖1所示。

圖1 交界面單元和節點關系示意圖

如圖1所示，在一個平面單元內，附著多個交界面單元或者說接觸面單元。接觸面單元的頂點部位便是節點，FLAC3D在節點位置能夠識別結構面是否處于接觸狀態。

接觸本構模型采用抗拉極限強度、摩爾-庫倫強度準則和膨脹角定義。巖體達到極限抗剪強度時，觀測面的有效法向應力就會逐漸增大。法向力和剪切力按照式（1）、式（2）進行計算[4]。

2 復雜節理模型建立

2.1 ANSYS的前處理功能

由于復雜節理巖體的內部結構面特征比較復雜，在建模時，主要利用ANSYS的前處理功能劃分適合的幾何單元，并賦予多樣的幾何參數，其具體內容如下：

a）在建模時根據節理的方位和走向以及節理之間的位置關系，變換work plane位置，并在分析對象幾何體上切割節理平面，這是生成接觸面的必要條件。

b）利用ANSYS能夠對復雜幾何體通過多次循環命令賦予不同類型的物理力學參數，以此體現出復雜結構面的多樣性，這就有利于FLAC3D生成不同的節理組合類型。

c）在ANSYS形成的結構模型框架中，選擇單元類型，然后根據節理發展特征，對幾何體的單元進行劃分。生成的幾何模型如圖2所示。

圖2 ANSYS前處理幾何模型

2.2 FLAC3D的接觸面處理功能

ANSYS針對復雜節理巖體建立的幾何模型最終會將其與FLAC3D的強大接觸面處理功能相結合，并利用其命令流驅動方式完善節理巖體模型，FLAC3D的具體功能如下：

a）將建立好的ANSYS模型導入FLAC3D中后，利用其Wrap命令將2個幾何體間共用節點分開，形成不同編號的2節點，然后在接觸部位形成接觸面，就是節理。

b）由于ANSYS通過命令賦予考慮幾何體不同物理參數，將其導入FLAC后會產生多個組名，然后通過FLAC的FISH語言編碼，在幾何模型中生成復雜貫穿性節理。

c）采用FLAC3D中的merge命令處理非貫穿復雜節理的生成，通過該命令將相同位置的節點連接，并等效其力學性質，對ANSYS前處理后的幾何模型設置復雜節理后的FLAC模型見圖3，從FLAC3D模型單元可清楚看出生成的節理面。

圖3 FLAC3D復雜節理幾何模型

3 復雜節理巖體數值試驗

3.1 試驗方案

試驗根據具體的巖體復雜特征，設置相應的計算參數，以此研究復雜節理巖體的強度特性和力學特征。在此前的準備工作是對不含任何節理的完整巖石試塊、含單一節理、多節理的大尺寸對巖石的基本參數進行試驗，然后根據FLAC數值模擬方法模擬分析試驗結果，從細觀參數等角度，對比分析完整巖體和節理巖體的區別，以此對節理更為復雜、尺寸更為巨大的節理巖石進行數值模型分析，得出強度、力學特征[5-6]。試驗中將節理居中，在3 m范圍內存在非貫穿節理，走向夾角90°，并與對應節理相互垂直，單節理傾角取50°。試驗采用摩爾—庫倫彈塑性模型進行試驗。試驗采用應變加載，并循環300次。試件尺寸分別取I類φ50×100 mm完整和含單節理巖石、Ⅱ類φ150×300 mm單節理和2組正交節理、Ⅲ類φ600×1200 mm單組節理和3組正交節理、IV類φ2.4×4.8 m單組節理和2組正交節理。

3.2 基本參數

根據工程巖體的具體分級標準，結合工程經驗，對試驗采用的完整巖石分析參數如表1所示，含有貫穿節理和非貫穿節理巖石的基本參數如表2所示。

表1 完整巖石數值分析基本參數

表2 含復雜節理巖石數值分析基本參數

4 模擬結果分析

通過對不同節理特征的巖體在不同尺寸大小下的單軸壓縮應力—應變曲線進行模擬分析，最終得出含有復雜節理特征巖體的力學性能和強度性能，并從節理組成特征、排列方式、節理類型以及節理數量等方面進行分析。

4.1 應力—應變曲線特征

編號Ⅰ為完整不含節理巖石與含有單節理的巖石，在預設相關參數下，采用FLAC軟件對其應力應變曲線進行分析，二者的應力應變曲線對比圖如圖4所示。

圖4 Ⅰ類完整巖石和單節理巖石的σ—ε曲線圖

分析圖4所示巖石的軸向應力—應變特征曲線可知，即使是單節理的存在也會對巖石的承載能力有較為明顯的影響，不含節理完整巖石的應力—應變變化規律幾乎呈直線，而含有節理的巖石，在應力達到一定程度后，由于節理的影響，其應變逐漸增大，但是應力也隨之降低，當應變超過一定數值之后，其承受能力基本消失，這就說明，單節理巖石，對巖體的力學性能影響較為明顯。

根據3.1節設置不同試驗方案，第Ⅱ類主要為單組走向一致節理和兩組正交節理的試驗分析。采用FLAC分析結果如圖5所示。

圖5 第Ⅱ類走向一致節理與正交節理σ—ε曲線圖

根據圖5所示的應力—應變曲線變化規律可知，當節理組構基本一致的情況下，應力—應變的變化規律基本保持一致。節理走向比較一致，并且其夾角為90°的時間在強度達到峰值時候，其承載能力仍然占最大受力的90%以上，而節理走向相互垂直的試件，則當強度達到峰值時，其承載力逐漸降低，減少幅度明顯大于節理走向一致的時間，這說明節理的走向和夾角，對巖體的承載能力有不同程度的影響效果。

第Ⅲ類試驗方案下的試件進行數值模擬分析，結果如圖6所示，包含節理夾角為90°，或者采用節理的走向相互垂直單節理試件的應力—應變曲線和與包含3組單節理的時間進行對比。

圖6 第Ⅲ類節理夾角為90°和多組節理σ—ε曲線圖

從圖6分析結果可知，當節理夾角為90°時，應力—應變曲線幾乎呈現S型，從曲線變化特征可知，試件在第一個應力峰值附近，其應力在短時間內趨于較為穩定狀態，當跨越過一定長度的穩定階段后，隨著應變的增加，應力也會逐漸升高，其承載能力逐漸增大。而對于組構類型為3組節理的試件，當應力達到第一個峰值后，隨著應變的增加，其承載能力逐漸降低，并且會逐漸趨于穩定，而當節理的組數增加時，承載力變化與節理組數之間的關系表現得越來越不明顯。

4.2 應力分布特征

為分析復雜節理對巖石應力分布特征的影響規律，特對非貫穿性節理巖體在FLAC分析軟件中進行模擬加載，并對加載過程循環400次進行試驗，最終分析試件的最大主應力如圖7所示。

圖7 非貫穿復雜節理巖石最大主應力分布圖

由于非貫穿節理較為復雜，加上節理分布特征的影響，其內部應力特性變化呈現出不同的狀態，從圖7可知，在含有復雜節理時間的上部末端位置受力點作用先出現較大的拉應力，其區域范圍幾乎覆蓋整個末端，而且拉應力大小從外到內逐漸降低，并逐漸變化為壓應力，在其相應背面形成范圍較大的壓應力區。這和節理巖體中裂隙的發展擴大規律極為相似。

5 實體工程

某工程位處復雜節理巖層，巖層傾角為45°，傾向為東南方向，存在微風化特性。基本結構為單斜褶皺構造，多條節理斜交。采用圓形剛性承壓板對巖體的性能進行測試，并根據實際參數，建立模型進行對比分析，結果如表3所示，現場測試的壓力變形曲線與數值分析對比如圖8所示。

表3 復雜節理下壓力變形現場測試與數值分析結果

圖8 現場測試與數值分析位移壓力變化曲線

由對比結果可知，現場測試與數值分析的最大誤差僅為9.96%，在各級測試壓力下，節理巖體的力學性能變化規律十分吻合。最小誤差僅為2.20%。由此可知，利用ANSYS的前處理功能結合FLAC的接觸面生成功能能夠良好地模擬復雜節理巖體性能。

6 結論

本文主要針對含有復雜節理的巖體的力學特征和強度特征進行分析。該數值模擬方法主要通過利用ANSYS的前處理功能建立模型后，通過對各個劃分單元定義不同類型的參數，預設復雜節理布置方案后利用FLAC3D的接觸面生成功能，使得復雜節理巖體的建模更能夠真實反映巖體的實際特征，本文針對含有復雜節理的巖體通過擬定合適的數值節理數量和組構方案進行試驗，較為準確地揭示了節理數量、節理類型以及節理排列特征對巖體的承載能力和應力—應變特征的影響。實體工程分析所得壓力變形曲線吻合度較高。由此可知，將ANSYS和FLAC巧妙結合起來，更好地解決了復雜節理建模難的問題。