粘合块体模拟技术：Bonded Block Modeling详解

1 引言

岩体在浅部的破坏主要受结构面控制(深部露天矿边坡稳定性---迪亚维克钻石矿(Diavik Diamond Mine)；构造控制的隧道稳定性分析---Rock Wedge)，而岩体在深部的破坏主要取决于节理的性质和原岩应力，这就导致了岩体可能在岩石和节理面同时发生剪切破坏。在高应力的深部露天采矿和地下采矿过程中，靠近开挖面的岩体经常会发生剥落破坏，这种破坏形式是岩体受到拉伸破坏的结果，类似于单轴抗压强度和抗拉强度试验观察到的现象(岩石力学---从物理试验到数值试验)。这种低围压高应力的拉伸破坏很难使用传统的数值模拟方法和本构模型表示裂缝的扩展过程。在基于连续介质的断裂力学有限元中，裂缝的扩展和传播过程通常使用XFEM来模拟，例如Abaqus(Abaqus 2021 扩展有限元 XFEM新功能)。而离散元采用了不同的途径模拟岩体裂缝的扩展。这个笔记简要回顾了离散元模拟裂缝扩展的方法，特别强调了粘合块体模拟BBM---Bonded Block Modeling。

2 模拟方法

离散元模拟裂缝扩展的方法有三种：第一种方法是使用voronoi单元，早期模拟岩石脆性断裂主要使用这种方法，而且这种方法目前还在继续使用(二维Voronoi 块体生成方法; 三维Voronoi块体的单轴抗压强度试验); 第二种方法是粘结颗粒模拟BPM(Bonded Particle Modeling)，大约在上世纪90年代中期，离散元(PFC,UDEC,3DEC)的提出者Cundall发现如果用颗粒(ball)的组合表示岩石，然后在模型中插入节理面，那么岩石的断裂有可能沿着颗粒之间的接触发生，也有可能沿着节理面扩展，这一思想导致了后来BPM和合成岩体SRM的提出(离散断裂网络(DFN)[P4]: 创建一个合成岩体SRM)；第三种方法是粘合块体模拟BBM(Bonded Block Modeling)，这种方法借用了BPM的发展思路，但是又不同于BPM。

3 BBM应用

粘合块体模拟BBM是3DEC使用的一种分析岩体裂缝扩展和岩体破碎的方法。BBM由一系列非常小的四面体组成，由于尺寸足够小，因此假定块体是弹性的，块体之间的接触呈弹-塑性状态，破坏沿着这些接触发生。生成BBM的方法有两种，一种方法是用block zone list poly命令将每个单元转化为block[将单元zone转化为四面体tetrahedron---block zone list poly (BBM)],另一种方法是从Griddle[Griddle---FLAC3D和3DEC的高级网格划分工具]中导入。如果产生较大的模型，使用Griddle比使用poly的效率高。作为一种通用的方法，尽管BBM可以应用在岩石工程的众多领域，但是感觉应用在崩落采矿(Caving Mining)的块体破碎分析上更合适一些。