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节理蠕变模型(joint creep model)

计算岩土力学

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1 引言

蠕变(Creep)是岩体在低于其屈服应力下的粘性变形。Itasca软件内置了10种蠕变本构模型【蠕变模型的FISH和Python函数(Creep Model)】：

(1) Burgers

(2) Burgers-Mohr

(3) Maxwell

(4) Power

(5) Power-Mohr

(6) Power-Ubiquitous

(7) Soft-Soil-Creep

(8) WIPP

(9) WIPP-Drucker

(10) WIPP-Salt

不过，这些蠕变模型仅适用于岩石的蠕变，节理的蠕变行为具有特殊的性质，因而这个问题只为3DEC而产生。节理的蠕变行为不仅取决于节理表面的粗糙度，而且取决于节理内的填充材料。

2 节理蠕变形为

如果节理没有充填任何材料，则蠕变行为取决于节理的表面特征【起伏角(Waviness Angle)对岩体节理剪切强度(Shear Strength)的增强作用】。在平面节理中，蠕变位移是由粘结和摩擦(adhesion-frictional)机制控制的；而在粗糙的节理中，由于应力集中在凹凸处，当凹凸处逐渐屈服，剪应力重新分配到其他完整的凹凸处时，就会造成滑移。这种类型的节理通常不需要考虑节理的蠕变行为，只需要按照普通的滑动准则判别即可。

如果节理内有充填材料，无论是自然形成的还是人工填充的摩擦性或粘结性材料，蠕变是由填充材料的特性控制的。这种类型的节理不能使用岩石的蠕变本构模型。

3 节理蠕变模型

为了模拟填充材料引起的蠕变，3DEC 7.0发展了一个新的节理蠕变模型(joint creep model){Power Law Creeping Joint Model In 3DEC}，这个模型基于诺顿定律(Norton’s law)，通常用来模拟软岩在剪切载荷下的蠕变行为，称之为幂蠕变节理模型(Power Joint Model)，这个模型的特点是在剪切方向上有粘弹性行为，在法线方向上有弹塑性行为。假定粘弹性单元和塑性单元为串联作用，粘弹性行为对应于诺顿定律(Norton’s law)，塑性行为对应于Mohr-Coulomb模型。节理蠕变模型的调用命令如下：

block contact assign jmodel power

完整的输入参数如下：

(1) 岩石的弹性模量和泊松比

(2) 节理充填物的弹性模量和泊松比

(3) 节理的法向刚度和切向刚度

(4) 岩石的粘结力、内摩擦角、膨胀角以及抗拉强度

(5) 岩石的残余粘结力、内摩擦角和抗拉强度

(5) 两个幂常量(Power-law constant)

(6) 两个幂指数(Power-law exponent)

(7) 两个参考应力(Reference stress)

节理蠕变模型的参数主要是基于试验获得，因而校准这些参数是成功使用该模型的挑战任务。

block contact property stiffness-normal [_jkn] stiffness-shear [_jks]    ...                       cohesion [_jcoh] friction [_jfri] tension [_jten] ...                       friction-residual [_jfri]                         ...                       constant-1 [_jpow_a1] exponent-1 [_jpow_n1]

4 结束语

尽管节理内填充充填物是一种普遍现象，其蠕变性能对岩体稳定性和支护设计具有很大指导作用，但是似乎很少有人进行专门研究。除了Höwing K.D. and Kutter H.K. (1985) Time-dependent shear deformation of filled rock joints: a keynote lecture. 的文献外，仅发现了一篇研究报告：Rune Glamheden and Harald Hökmark (2010) Creep in jointed rock masses State of knowledge. 44p. 在这个研究报告中，他们进行了充填节理岩体的蠕变实验。