搜索
2.7SignConventionsThefollowingsignconventionsareusedin3DECandmustbekeptinmindwhenenteringinputorevaluatingresults.BLOCKMOTION—Positivemotionisinthepositivecoordinateaxesdirections.DIRECTSTRESS—Positivestressesindicatetension;negativestressesindicatecompression.SHEARSTRESS—WithreferencetoFigure2.17,apositiveshearstresspointsinthepositivedirectionofthecoordinateaxisofthesecondsubscriptifitactsonasurfacewithanoutwardnormalinthepositivedirection.Conversely,iftheoutwardnormalofthesurfaceisinthenegativedirection,thenthepositiveshearstresspointsinthenegativedirectionofthecoordinateaxisofthesecondsubscript.TheshearstressesshowninFigure2.17areallpositive.常用的建模命令jsetdip0dd0or0,.5,0id=1000;id号系统可以自动赋值，但最好是自己亲自赋值，以便后期辨别seek;makeallblocksvisible边界条件和初始条件‘3DEC提供了2类边界条件：应力边界和位移边界2.6.3ApplyingBoundaryandInitialConditions材料本构、参数边界条件、初始条件示例：施加边界条件、初始条件应力边界：应力边界位移边界水平应力施加梯度：垂直应力施加梯度：各层材料不同，施加位移边界、初始应力（很好的借鉴）CHANGErangephrasekeywordkeywordBlockandjointmaterialcharacteristicsareprescribedandchangedwiththeCHANGEcommand.Materialcharacteristicsshouldbeprescribedafteralldiscontinuitiesarecreated.TherangeoverwhichtheCHANGEcommandisappliedcanbelimitedbytheoptionalrangephrase.Characteristicsofblockswhosecentroidsliewithintheoptionalrangearechanged.TherangephrasesforblocksarelistedinTable1.2.Ifnorangeisspecified,allblocksinthemodelwillhavecharacteristicschanged.TheHIDEcommandcanalsobeusedtohideblocksselectivelyfromchangingcharacteristics(i.e.,onlyvisibleblocksarechanged).常用的reg操作命令举例：通过本例，掌握以节理为边界hide；如何引用已有的节理；hide一个长方体polybrick0,10,10,1;createablockjsetdip0dd0or0,.5,0;makeahorizontalcuthidedip0dd0or0,.5,0below;hidethebottomblockjsetdip90dd90or.5,0,0;verticalcutthroughtopblockonlyseek;makeallblocksvisible或者：pobrick010101jsetdip0dd0or0,.5,0hidey0.6markreg1paseekhide080050010dd的区别90°和270°polybrick-11-11-11jsetdd270dip45origin-1,0,0jsetdd270dip45origin0,0,0jsetdd90dip45origin0.3,0,0polybrick-11-11-11jsetdd270dip45origin-1,0,0jsetdd270dip45origin0,0,0jsetdd90dip45origin0.3,0,0CHANGErangephrasekeywordkeyword个别元素法于三维岩体力学行为之应用杨长义陈志民陈锦清淡江大学土木工程学研究所中兴顾问社大地力学研究中心摘要本文利用三维个别元素分析法程序(3DEC)，仿真三维规则节理岩体在单轴与真三轴应力下之变形与强度特性。主要研究结果如下：(1)3DEC可用以定性分析三维节理岩体力学机制，利用该程序可简易探讨任何节理分布位态下之力学行为，免除物理模模型仿真试验之困难；(2)多轴应力下岩体之异向性行为亦可透过3DEC模拟分析，定性上均与物理现象相互一致；(3)在节理间距、劲度比较大的岩盘较需要比对二维与三维分析之差异。一、前言自然界岩体多处于真三轴应力状态下，以往受限于分析工具与实验设备，岩石工程之分析大多局限于二向度分析，对三维岩体行为之模拟则较少[1]。例如目前可用于分析具大变形特性之离散岩体的程序如DDA[2]、UDEC[3]均局限于对二维问题的解析；而3DEC[4]程序系以个别元素法(distinctelementmethod)在UDEC基础下发展而成之数值分析程序，正可用以仿真三维节理岩体之力学行为：3DEC可将岩体视为由许多离散的完整岩块所组成，各完整岩块可以模拟成刚体或可变形体；而各完整岩块间为节理所分隔。(1)在对节理的模拟方面，主要依据位移－作用力法则，计算在节理面上之剪应力及正向应力，以作为个别岩块之边界应力条件，因此可模拟岩块大位移与转动之情况。(2)3DEC在模拟可变形岩块时，系根据「edge」指令程序自行将三维岩块再细分成许多四面体状次级块体(sub-block)，次级块体可以为任意形状。每个次级块体可配合所指定之材料组成律及外力情况，计算岩块之受力及应力分布情况；每个次级块体的节点有三个自由度，以计算这些次级块体上节点之运动情形，然后配合材料组成律计算次级块体上之应力应变关系，则可得块体间之作用力，接着配合边界所产生的接触力计算得新合力与加速度，以作为下一时阶计算可变形岩块之边界条件。二、节理岩体模型之建立在3DEC中可透过「Jset」指令建立一个三维节理岩体之几何模型，在其功能下必须搭配下列六个参数：(i)倾角方向(dipdirection)；(ii)节理倾角(dipangle)；(iii)节理数目；(iv)节理间距；(v)节理连续度(persistence)；(vi)每一条节理的起始位置。岩体模型输入数据文件之建构步骤为：(1)设定岩体之几何尺寸；(2)输入节理倾角、走向、起始点、数目、间距及连续度等参数；(3)输入完整岩石及节理之力学参数；(4)设定应力及应变之观测点；(5)设定岩体之承受边界条件等五大部份。其中对节理形态之模拟方式有：(a)系统性节理之仿真，可以输入某一条节理之起始点作基准，3DEC将以输入的节理数目及间距等参数值，配合岩体几何边界自动产生其它平行的节理；(b)有限条节理之模拟，可独自输入各条节理之起始点，故使用者可自行选择节理之间距及数目。而对节理连续度模拟方面：3DEC系以统计之概念将岩桥平均分布于节理面上，并不考虑岩桥与节理之相对位置。节理面之闭合与剪力模式：3DEC对节理基本组成模式一般采用库伦摩擦准则，节理作用力之计算主要是根据应力－位移关系式，应力由节理的正向劲度与剪力劲度控制，最大剪力为，其中c为凝聚力、f为节理摩擦角、A为节理面间之接触面积。节理面正向应力增量为，其中正向劲度为，与en为自定参数；在剪应力方面本研究所采用3DEC内提供的连续降伏模式(continuously-yieldingmodel)，可考虑节瘤随剪位移增加之渐进磨损行为，剪应力应变行为则如图1所示。其剪应力增量为，其中剪力劲度为，与es亦为自定参数；峰后剪应力应变曲线之切线斜率与F有关，，F(F=0~1)与实际剪应力()到边界强度()之距离有关；r通常设为0.75以避免当剪应力趋近于边界强度时所造成的数值不连续情况。其中边界强度，式中为节理面有效摩擦角，当节理面发生节瘤磨损或损伤时，有效摩擦角之衰减量为；节理面之塑性位移为。其中f为节理面基本摩擦角；R为无因次材料参数，其物理意义与节理面之粗糙度类似。三、参数敏感性研究1.边界条件及网格划分：3DEC程序中共提供应力及位移两种边界：位移边界系以输入岩块之移动速率及方向，则将强制边界岩块变形之方向及速率；应力边界则提供周围岩块之应力束制情况，而不强制岩块变形。在本研究中，岩体之上下方使用位移边界模拟垂直荷重之施加，而使用应力边界模拟围压作用。3DEC程序依输入次级块体边长指令「edge」的参数值，自动将节理岩块再细分网格以计算岩块内部之变形，程序会自动定出各个次级块体之节点位置。其中edge值愈小则岩块之次级块体的数目愈多，而所需运算的时间将越长。在经初步探讨位移边界之速率与网格大小对岩体强度之影响后得知：同一网格大小情况下，岩体强度随着位移边界速率之增加增大；且随着次级块体边长之增加而降低，即强度随着次级块体数目减少而降低。理论上，岩体强度只与完整岩石及节理之强度有关，应不受网格大小或次级块体边长之影响，所以在以3DEC模拟岩体之受力行为时，必须仔细确认位移边界速率及网格大小之影响。在本研究后续探讨中，均固定一边界位移速率及网格大小来模拟岩体之受压情况。2.岩体尺寸之影响：一般岩体的体积愈大包含的节理数目愈多(节理频率愈高)，岩体强度及变形性随之降低。今以一高(H)宽(W)比为2.5(H×W×B=100×40×30cm)、中央含一条节理之试体为例，探讨倾角40度、走向90度时岩体之尺寸效应。结果如图2所示：当试体高度增加即岩体体积增大，即岩体中节理密度降低时则强度提高；而峰后应力应变曲线呈较延性反应；围压越大岩体之强度随之增加而峰后应力应变曲线亦愈呈延性。3.形状效应之影响：一般岩体高宽比(H/W)愈大或岩柱愈细长，岩体之应力应变曲线愈脆性，也愈容易发生岩爆现象。今固定试体之高度(60cm)及厚度(30cm)、而减小试体之宽度，来探讨节理倾角等于40度且中央内含一条节理之岩体的形状效应。由图3知当岩体之高宽比愈大，其应力应变曲线愈脆性，破坏后能量释放较剧烈；理论上岩体强度只与节理性质有关，高度或宽度并不影响岩体之强度，但是在本节为增加岩体的高宽比而减小宽度，导致岩体的体积减小，使次级块体的数目减少，由前述已知岩体强度也会因而减小。四、岩体之强度与变形性分析1.节理倾角之影响：节理岩体强度除了受完整岩石强度之影响外，主要受内部所含节理面之强度或几何形态控制。如图4所示岩体强度随节理倾角之改变而异，呈现明显的异向性行为，当围压增加则强度增加，但异向性程度随之减小而趋向于等向性，而应力应变曲线也愈呈延性。2.节理间距之影响：本节以高宽比2.5(100×40×30cm)之岩体几何形状，探讨当倾角等于40度时，试体中平行节理数固定为三条且平均分布于试体中，并变化节理间距探讨其影响。如图5所示：岩体强度随着节理间距之增加而提高，或随节理密度降低而强度提高；图6显示本节所探讨的范例为平行节理，峰后应力应变曲线趋势没有随着节理间距增加明显的改变。3.节理连续度之影响：若岩体中之节理为非连续性节理，则节理的连续度将会影响岩体之强度及变形性。今以一岩体为例探讨当连续度为0.2、0.4及0.6时单