利用3D打印合成岩体解释非贯通节理的破坏机理

来源： 计算岩土力学

1. 引言

岩体由完整的岩石和变异的节理组成，因此阶梯式边坡破坏是断裂面上的滑动和断裂之间岩桥的拉伸破坏共同作用的结果【阶梯路径岩桥 (Step Path Rock Bridge)】。目前主要使用数值模拟技术了解这类岩体的力学行为，主要使用的工具有：

(1) 基于DFN和块体理论的Fracman和RocSlope;

(2) 基于DFN和FEM技术的RS2, RS3;

(3) 基于DFN和DEM技术的UDEC, 3DEC, PFC包括特别发展的SRM技术：BBM和BPM；

(4) 基于DFN和FDEM技术的Irazu;

显然，按照普通方法制作一个合成岩体(SRM)试样是十分困难的，这也是发展数值模拟技术的主要原因之一。现在发展了一种新的方法，可以使用3D打印技术制作合成岩体。

2. 3D打印合成岩体
在实践中，工程师们通常采用类比或经验方法估算岩体强度，最常用的经验方法是使用工程岩体分类，特别是Hoek-Brown准则估算各向同性的岩体强度，后来Itasca发展的SRM技术虽然从理论上可以更准确地估算岩体强度，然而这种技术需要相当娴熟的Itasca软件操作技巧而且需要进行大量的耗时的数值试验，因此在实践中也很难使用这种方法。

通过使用人工制作的3D打印技术，构建具有已知构造(即强度和岩石节理的空间分布)的合成岩体试样，在实验室中对其进行测试。这种方法的主要优势在于可以对物理条件相似的样本进行可重复的实验室测试，从而降低了不确定性水平并提高了结果的可靠性。3D打印样本的实验室测试结果一方面可以用来估算岩体强度，另一方面可以用来校准和验证数值模拟的结果，从而更准确地了解和解释岩体的力学特性和破坏机制。

3. SRM数值模型

2007年5月，在温哥华举办的第一届Canada-U.S.岩石力学会议上，Itasca公司提交了一篇论文<节理化岩石的合成岩体模型---A Synthetic Rock Mass Model for Jointed Rock>，并在FLAC3D, 3DEC和PFC3D中实现了这种想法。SRM使用PFC3D建立的BPM模型表示原岩，用DFN表示节理，以此来估算岩体的强度属性和变形属性，从而预测岩体的脆性断裂行为。      

模拟方法是把DFN断裂信息(即断裂几何形状和属性)叠加到BPM模型上，BPM用于模拟完整岩石，通过修改断裂接触点处的接触模型引入断裂的力学行为。由于PFC模型本质上是离散的，因此破坏可能发生在完整的BPM区域以及沿断裂面发生。

SRM克服了早期工作中存在的模型尺寸和表示节理的限制，允许快速构造和测试直径为10-100m的中等到严重节理化的岩石样本，这些岩石含有数千个非贯通性节理。SRM模拟用于估算岩体的峰前属性(弹性模量、损伤阈值和峰值强度)和峰后属性(脆性、残余强度和破碎)，并用于分析大规模的岩体边坡稳定性问题。SRM模拟允许考虑三维大型复杂非贯通性节理网络以及块体断裂，包括非贯通节理对岩块强度的影响。

通用的SRM数值模拟步骤如下：

(1) 根据现场数据建立离散断裂网络DFN;

(2) 对构造的DFN模型进行了随机抽样，按恒定的高宽比分离出N个立方样本进行模拟;

(3) 对每个立方样本进行强度试验，并记录每个样本的全部应力应变行为。

4. 结束语

SRM数值模拟为确定大规模岩体试样的复杂本构行为提供了一种新的技术，这在传统的实验室中通常很难实现或不可能实现，然而新出现的3D打印技术可以制作出人工的SRM试样，在一定程度上能够校准和验证数值模拟的结果，从而更准确地了解和解释岩体的力学特性和破坏机制。