岩石三维样本制作及分析文献综述
2020-04-15 14:45:08
1.1研究背景
我国与岩石有关的各个行业的快速发展，以岩石为目标的挖掘的需求日益增大。而且脆性岩石破裂机制研究是深部岩石工程的基础科学问题，其危害轻则影响工程施工进度安排，重则造成设备人员伤亡重大损失，甚至可能会诱发工程失效，因此迫切需要了解此类材料的特性以及由于自重、外部载荷或者边界条件的变化引起的材料本身的受力、形变及破坏情况。由于岩石性质的复杂性导致在实验室做实体实验需要大量的经费，所以，通过构建岩石的BPM模型并分析可以补充实验室没有的岩石三维样本。BPM（岩石的粘结颗粒模型）这种岩石模型可以很好地反映岩石的破碎形式和准确的力学性能，对于分析绞刀岩石的破碎特性是很理想化的模型。
虽然BPM可以理想地模拟岩石的性能，但是BPM本身十分复杂，参数十分庞大，其中平行键的参数无法通过真实岩石实验获得。传统的实验方法不能探索脆性岩石内部破坏过程，因为岩土机械的传统设计方法一般釆用经验公式与机构几何结构设计相结合的方法，缺乏可以精确描述岩土物料运动、破碎行为的精确模型。大量的理想化假设与无明确理论支持的经验数据，使传统设计手段根本无法保证准确性。但是可以分析、可以求解离散系统动力学问题的离散元方法为岩土机械的设计提供了一种道路：从岩土物料的运动、岩石破碎的角度分析岩土机械的物理特性。近半个世纪以来，科研人员采用理论分析和模型试验相结合，尤其是计算机技术的发展，使得岩石的力学研究进入了一个新的阶段。
目前主流的离散元软件有DEM-Solutions公司的EDEM,Itasca公司的3DEC、UDEC和PFC2D/3D,Yade,在Gid下集成的DEMpack求解器等。EDEM后处理功能强大,是第一款此类产品。本篇论文主要利用EDEM中的Bonding模型进行仿真实验。
1.2国内外研究现状
研究岩石物料的破碎问题，主要有三大经典破碎理论：表面积学说、体积学说、裂缝学说。除此之外，国内外学者也越来越关注离散单元法的仿真模拟。岩石物料的破碎机理是岩土机械设计方法的核心。离散单元法可模拟岩石物料的破碎，获得破碎岩石物料所需的能量和岩石物料对机械工作部件的作用。
（1）国外研究现状
1971年P.A.Cundall[1]了用于模拟脆性材料的粘结颗粒模型（即BPM）,并且与Srack等人合作开发出了一款计算程序，验证了离散单元法的可靠性。直到1978年，改进后的离散元模型，在岩石破碎的仿真试验得到了应用。还有的研究人员利用综合岩体的方法来建立节理岩体的模型，随后在建立的岩体模型內生成节理网络。
Jens Licher[2]等人结合PBM建立了新的破碎机模型。直观显示出了摩擦系数，刚度等细观参数；J.T.Kalala[3]用离散单元方法进行了磨机腔型磨损的仿真模拟，建立磨损机型，其仿真结果与现场实际数据吻合度较高；B.K.Mishra[4]等人对不同直径磨机进行了二维离散元仿真分析，验证了利用DEM仿真磨机各工况的可行性，准确性。也有很多学者虽然深入对岩石三维模型的研究，但不是对于研究对象存在大量的理想化假设，不符合真实状态，就是仿真失真缺乏检测检测技术，真实情况难以观测。
（2）国内研究现状
王泳嘉和剑万禧教授于1986年首次引入离散元法[5][6]。唐艳云[7]利用离散元法岁高压辊磨机进行了相关的研究,由于脆性材料的离散元BPM模型参数并不是通过严谨的校核得出，对待研究问题意义不是很大；王端宜[8]通过离散元法对沥青混合料的单轴压缩试验进行模拟，并对离散元 BPM模型参数与沥青混合料的本构行为之间的关系进行了研究，但得到的结论太过笼统，并没有得到准确的定量关系；王等明[9]建立了颗粒系统组成的离散元BPM模型，但得出的结论尚无理论公式支持，缺少科学依据；陈建峰[10]定性的研究了黏性土BPM模型参数与宏观性能指标之间的关系；尹小涛[11]分析了在岩土体的离散元 BPM模型中，参数黏结强度与宏观性能指标裂纹之间的关系；蒋明镜[12][13]等利用离散元软件PFC中的BPM模型进行了大量的对比仿真试验，其结果验证了 BPM 模型能够充分模拟脆性材料破碎问题；刘先珊，董存军[14]建立了脆性材料的离散元 BPM 模型。该模型采用了平行约束键的形式，成功地拟合出了脆性材料的破碎过程但文中所涉及到的模型只有在特殊情况下才能被使用，限制住了使用范围；孙其诚,金峰[15]等人对二维颗粒体系的单轴压缩进行了离散元仿真并进行了深入探讨与研究,从接触力网络和能量分布的角度提出判据；赵国彦、徐金、蒋明镜[16]等人分别对花岗岩和石灰岩的细观参数的标定进行了探讨，验证了BPM模型的可行性，为进一步探索BPM细观参数与宏观性能之间的确切关系开创了先河。综上来看，虽然学者们大都是以实验结果不准确而告终，但是我们不难发现，如果能找到BPM模型的平行键参数对其宏观力学性能的具体定性的关系，甚至直接得到平行键参数与某宏观性能的精确数学关系式的话，快速且精确地建BPM模型将成为可能。进而就可以保证岩土机械离散元仿真结果的精确性。
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2. 研究的基本内容与方案
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2.1研究（设计）基本内容
岩石的挖掘在很多领域都有应用，由于岩石性质的复杂性导致在实验室做实体实验需要大量的经费，所以需要通过构建岩石的数值样本解决这一问题，但是限于岩石样本的数量，限于没有岩石的三维样本，提出构建岩石三维样本的方法。本文从室内试验及细现分析角度，研究脆性岩石抗拉特性，首先选取合适的细观模型构建岩石的BPM模型，通过构建的岩石BPM模型对绞刀岩石的破碎特性进行分析。
（1）通过对破碎机原理研究，发现了岩体物料运动，力的情况分析的一些共性特点，进而选择一种合适的试验方法。
（2） 分析实验室样本，用EDEM建立岩石BPM模型，通过试验各种实验参数，得到理想的BPM模型，并逐步完善细节。
