岩土力学 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (4): 1214-1232.doi: 10.16285/j.rsm.2023.0554

• 数值分析 • 上一篇    下一篇

气孔杏仁状玄武岩随机三维模型构建与 单轴压缩力学行为研究

周慧颖1, 2,李树忱1, 3,王曼灵1, 2,袁超2, 4,张俊艇5,冯健鹏5   

  1. 1.山东大学 齐鲁交通学院,山东 济南 250002;2.山东大学 岩土与结构工程研究中心,山东 济南 250014;3.中国矿业大学 力学与土木工程学院,江苏 徐州 221116;4.山东大学 土建与水利学院,山东 济南 250014;5.山东东方路桥建设有限公司,山东 临沂 276600
  • 收稿日期:2023-05-05 接受日期:2023-06-09 出版日期:2024-04-17 发布日期:2024-04-18
  • 通讯作者: 李树忱,男,1973年生,博士,教授,主要从事岩体力学与隧道工程的相关研究。E-mail: shuchenli@sdu.edu.cn
  • 作者简介:周慧颖,男,1995年生,博士研究生,主要从事岩体破坏数值模拟的相关研究。E-mail: zhy_1995@126.com
  • 基金资助:
    国家重点研发计划(No. 2021YFC2902103);国家自然科学基金(No. 41831278,No. 52108373);山东省自然科学基金(No. ZR2021ZD36)。

Stochastic three-dimensional modeling and the mechanical behavior of vesicular amygdaloidal basalts under uniaxial compression

ZHOU Hui-ying1, 2, LI Shu-chen1, 3, WANG Man-ling1, 2, YUAN Chao2, 4,   

  1. 1. School of Qilu Transportation, Shandong University, Jinan, Shandong 250002, China; 2. Geotechnical and Structural Engineering Center, Shandong University, Jinan, Shandong 250014, China; 3. School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China; 4. School of Civil Engineering, Shandong University, Jinan, Shandong 250014, China; 5. Shandong Dongfang Road and Bridge Construction Co., Ltd., Linyi, Shandong 276600, China
  • Received:2023-05-05 Accepted:2023-06-09 Online:2024-04-17 Published:2024-04-18
  • Supported by:
    This work was supported by the National Key Research and Development Program of China (2021YFC2902103), the National Natural Science Foundation of China (41831278, 52108373) and the Natural Science Foundation of Shandong Province, China (ZR2021ZD36).

摘要: 为了研究初始孔隙对气孔杏仁状玄武岩力学行为的影响规律,提出了一种考虑计算孔隙率、体积参数、形状参数、角度参数和构造参数的气孔杏仁状玄武岩随机三维模型构建方法,基于建立的随机模型开展了五因素五水平的单轴压缩正交数值模拟,分析不同模型的应力-应变曲线、破坏模式和破坏特征。结果表明:计算孔隙率、角度参数和构造参数对于岩石的单轴抗压强度和弹性模量有较大影响,岩石的单轴抗压强度和弹性模量均与计算孔隙率、角度参数呈负相关,与构造参数呈正相关,与其余因素相关性较弱;随着模型孔隙率的增加,气孔杏仁状玄武岩应力-应变曲线中塑性应变占比随之增加,破坏模式由单剪切破坏面、多剪切破坏面转为局部粉碎状破坏,岩石由脆性破坏逐渐转为延性破坏,5%和12.5%可近似作为强脆性―脆性―延性转换的临界孔隙率;建立的损伤统计本构方程能够根据初始孔隙特征较好地预测气孔杏仁状玄武岩的力学行为,对于玄武岩地层中多孔岩石力学性质的确定具有重要意义。

关键词: 玄武岩, 多孔岩石, 随机建模, 数值模拟, 损伤模型

Abstract: The study focuses on investigating the influence of initial pores on the mechanical behavior of vesicular amygdaloidal basalt using a stochastic three-dimensional modeling method. The proposed modeling method considers calculated porosity, volume parameters, shape parameters, angle parameters, and structural parameters. Subsequently, five-factor and five-level orthogonal numerical simulations under uniaxial compression are conducted to analyze stress‒strain curves, damage modes, and failure characteristics. The calculated porosity, angle parameters, and structural parameters are found to strongly influence the uniaxial compressive strength (UCS) and elastic modulus of the rock. Specifically, the UCS and elastic modulus exhibit negative correlations with calculated porosity and angular parameters, while showing positive correlations with structural parameters. Weak correlations are observed with the remaining factors. The percentage of plastic strain in the stress‒strain curve of vesicular amygdaloidal basalt is noted to increase with increasing model porosity. The damage mode shifts from a single-shear surface, multiple-shear surface to local crush damage. Additionally, the rock transitioned from brittle to ductile failure. It is identified that a porosity of 5% and 12.5% can be approximated as critical values for the strong brittle‒brittle‒ductile transition. The established damage statistical constitutive equation is found to better predict the mechanical behavior of vesicular amygdaloidal basalt based on the initial pore. This suggests the potential importance of determining the mechanical properties of porous rocks in basaltic formations.

Key words: basalt, porous rock, stochastic modeling, numerical simulation, damage model

中图分类号: 

  • TU 452
[1] 文磊, 刘 钟, 马晓华, 张振. 粉土地基中劲性复合桩抗压承载特性与荷载传递机制研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(2): 511-524.
[2] 刘新荣, 王浩, 郭雪岩, 罗新飏, 周小涵, 许彬, . 考虑消落带岩体劣化影响的典型危岩岸坡稳定性研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(2): 563-576.
[3] 朱寅斌, 李长冬, 周佳庆, 项林语, 姜茜慧, 朱文宇, . 考虑基质渗透性的粗糙单裂隙非达西流动特性研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(2): 601-611.
[4] 华涛, 申林方, 王志良, 李泽, 徐则民. 基于近场动力学的岩石水力压裂数值模拟及裂隙网络定量分析[J]. 岩土力学, 2024, 45(2): 612-622.
[5] 朱泽奇, 田铠玮, 徐启钟, 崔岚, 盛谦, . 水力耦合作用下玄武岩启裂机制与临界水压研究[J]. 岩土力学, 2023, 44(S1): 83-90.
[6] 黄生根, 张义, 霍昊, 陈常青. 软土地区深基坑支护工程格构柱变形规律研究[J]. 岩土力学, 2023, 44(S1): 533-538.
[7] 王凯, 付强, 徐超, 艾子博, 李丹, 王磊, 舒龙勇, . 原生煤岩组合体界面力学效应数值模拟研究[J]. 岩土力学, 2023, 44(S1): 623-633.
[8] 乔亚飞, 闫凯, 赵腾腾, 丁文其, . 软土地区超深圆形竖井的坑底隆起特性与机制[J]. 岩土力学, 2023, 44(9): 2707-2716.
[9] 张坤勇, 张梦, 孙斌, 李福东, 简永洲, . 考虑时空效应的软土狭长型深基坑地连墙变形计算方法[J]. 岩土力学, 2023, 44(8): 2389-2399.
[10] 尹鑫晟, 舒营, 梁禄钜, 张世民, . 考虑渗流的饱和粉土地层盾构开挖面稳定分析[J]. 岩土力学, 2023, 44(7): 2005-2016.
[11] 季雨坤, 王钦科, 赵国良, 张健, 马建林, . 斜坡上嵌岩抗拔桩竖向承载变形特性模型试验及数值模拟[J]. 岩土力学, 2023, 44(6): 1604-1614.
[12] 孙彦晓, 刘松玉, 童立元, 王峻, 崔佳, 李世龙, 李敏, . 长江漫滩区明挖隧道基坑降承压水优化分析[J]. 岩土力学, 2023, 44(6): 1800-1810.
[13] 贾科敏, 许成顺, 杜修力, 张小玲, 宋佳, 苏卓林, . 可液化倾斜场地的侧向扩展机制分析[J]. 岩土力学, 2023, 44(6): 1837-1848.
[14] 王春, 胡慢谷, 王成, . 热−水−力作用下圆孔花岗岩的动态损伤特征及结构模型[J]. 岩土力学, 2023, 44(3): 741-756.
[15] 张正哲, 贾科敏, 许成顺, 潘汝江. 倾斜液化场地−桩基−结构体系在近场脉冲与非脉冲地震动下地震响应差异分析[J]. 岩土力学, 2023, 44(12): 3629-3638.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 姚仰平,侯 伟. 土的基本力学特性及其弹塑性描述[J]. , 2009, 30(10): 2881 -2902 .
[2] 徐金明,羌培,张鹏飞. 粉质黏土图像的纹理特征分析[J]. , 2009, 30(10): 2903 -2907 .
[3] 向天兵,冯夏庭,陈炳瑞,江 权,张传庆. 三向应力状态下单结构面岩石试样破坏机制与真三轴试验研究[J]. , 2009, 30(10): 2908 -2916 .
[4] 石玉玲,门玉明,彭建兵,黄强兵,刘洪佳. 地裂缝对不同结构形式桥梁桥面的破坏试验研究[J]. , 2009, 30(10): 2917 -2922 .
[5] 夏栋舟,何益斌,刘建华. 土-结构动力相互作用体系阻尼及地震反应分析[J]. , 2009, 30(10): 2923 -2928 .
[6] 徐速超,冯夏庭,陈炳瑞. 矽卡岩单轴循环加卸载试验及声发射特性研究[J]. , 2009, 30(10): 2929 -2934 .
[7] 张力霆,齐清兰,魏静,霍倩,周国斌. 淤填黏土固结过程中孔隙比的变化规律[J]. , 2009, 30(10): 2935 -2939 .
[8] 张其一. 复合加载模式下地基失效机制研究[J]. , 2009, 30(10): 2940 -2944 .
[9] 易 俊,姜永东,鲜学福,罗 云,张 瑜. 声场促进煤层气渗流的应力-温度-渗流压力场的流固动态耦合模型[J]. , 2009, 30(10): 2945 -2949 .
[10] 陶干强,杨仕教,任凤玉. 崩落矿岩散粒体流动性能试验研究[J]. , 2009, 30(10): 2950 -2954 .