三维离散元数值试验设计方案

本节将给出三种不同的数值试验设计方案，用以模拟岩体的力学试验，并说明如何结合数值试验过程中所监测的应力和变形曲线确定岩体的力学参数。

4.2.4.1　数值试验方案1

在最小尺寸岩体模型3个相互垂直的(x、y和z)方向上分别施加压应力σx、σy和σz，然后保持其中两个方向的边界应力不变，在另一个方向(x或y或z)上匀速加压直至模型破坏，这个过程分别在x、y和z方向重复。在模型的6个表面上各均匀布置9个监测点。当在模型的某个方向施加恒定速度边界条件时，记录与该方向垂直的两个面上的应力和位移变化曲线，获取模型在该方向的平均应力应变曲线，该应力应变曲线可用来确定岩体的峰值强度和变形模量。其他4个表面上所记录的变形情况与垂直施压方向的表面上的变形情况相结合可用来计算岩体的泊松比。然后，增大初始应力边界条件，重复上述计算，可以在较高的应力边界条件下获得另一个岩体的峰值强度，结合两种破坏状态下岩体模型的应力条件，可根据Mohr-Coulomb法或P-Q法确定岩体的强度参数(粘聚力c和内摩擦角φ)。

岩体中存在的复杂结构面使得裂隙岩体力学参数具有各向异性特征。通过对不同位置的最小尺寸模型进行三维应力分析，再对不同位置模型的分析结果求取均值，可得到最小尺寸模型在3个相互垂直的方向上的力学参数，根据这些力学参数建立一个三维正交各向异性本构模型来表征最小尺寸岩体的等效力学性质，如4.2.2节所述，在进行下一个尺寸模型分析时，可利用该等效连续性质结合下一个尺寸级别的结构面建立计算模型，然而目前3DEC软件中只内置有弹性正交各向异性本构模型，而弹性条件下的本构方程不能描述裂隙岩体的强度性质，因此本书采用下述方法考虑各向异性特征对裂隙岩体尺寸效应的影响。

将x、y和z方向的数值试验分开进行。例如:已按方案1的方法求得了不同位置最小尺寸模型在x方向的强度和变形参数的均值，在进行下一个尺寸模型的数值试验时，利用该均值作为最小尺寸岩体在x方向的等效力学性质，结合该尺寸各个位置模型所包含的结构面系统进行模型x方向力学参数的研究，重复该过程直至确定最大尺寸模型的x方向力学参数的均值;对y和z方向也同样采取上述方式，分别从最小尺寸模型在该方向的力学参数均值计算至最大尺寸模型在同一方向的力学参数均值。利用这种方法，复杂裂隙岩体在x、y和z 3个相互垂直方向上力学参数的尺寸效应分别得以研究。

4.2.4.2　数值试验方案2和方案3

通过式(4-7)和式(4-8)，可根据弹性模量(E)和泊松比(ν)来估算剪切模量(G)和体积模量(K)，但是该公式只适用于弹性均质且各向同性的完整岩块。当裂隙岩体存在明显的各向异性特征时，上述公式并不适用，本书采用数值试验方案2和方案3对不同尺寸下复杂裂隙岩体的剪切模量和体积模量进行研究。

数值试验方案2用来确定岩体的剪切模量，首先在模型3个相互垂直的(x、y和z)方向上分别施加压应力σx、σy和σz，然后在模型任意两个相邻的表面施加剪应力，同样在模型每个面上均匀布置9个监测点，在整个施压过程中，记录相应方向的模型表面9个监测点处的位移变化情况，用来计算模型的平均剪应变。按照上述方法依次获得模型在xy、xz或yz 平面上的剪应力-剪应变曲线，根据该曲线可确定岩体模型在相应平面上的剪切模量值Gxy，Gxz和Gyz。

数值试验方案3用来确定岩体的体积模量，首先在模型3个相互垂直的(x、y和z)方向上分别施加压应力σx、σy和σz，然后分别在x、y和z方向均匀施加相同的逐渐增加的压应力。在模型各个表面上均匀设置监测点，记录各监测点处的位移，获取模型压缩强度与块体体积之间的关系曲线，用以确定岩体的体积模量。