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中国科学（E辑） 2007年第5期37卷 605-612页

作者：张振南葛修润上海大学土木工程系上海交通大学岩土力学与工程研究所

多维虚内键模型(vmib,virtual multi-dimensional internal bonds)是在虚内键(VIB,virtual internal bond)理论基础上发展起来的一个多尺度力学模型.VIB理论认为固体材料在微观尺度上由随机分布的材料微粒(material particle)组成,微粒之间由单一法向键连结;而vmib模型则在原VIB模型单一法向键基础上又引入了切向键用以约束微粒点对之间的相对转动自由度.材料的宏观本构方程则由两种虚内键的刚度系数导出,并在理论上证明了微观两种虚内键的刚度系数与宏观材料常数之间存在一一对应关系,表明了在vmib模型中增加切向键的充分性和必要性.由于材料的断裂准则直接嵌入到本构方程中,这使得VIB和vmib模型在模拟材料断裂破坏方面有着较大的优越性.岩体由于受到分布裂纹的切割作用,宏观上表现为各向异性力学特征.在岩体损伤模型中,岩体裂纹的分布特征通常由损伤张量描述.岩体在某一方向上的相对刚度大小决定于该方向上损伤值的大小.在vmib模型中,微观虚内键的空间分布密度决定着材料宏观各方向上相对刚度的大小,这与岩体损伤对岩体力学性能的影响是一致的.文中在损伤张量与虚内键分布密度之间建立了定量关系,将岩体等效为vmib固体.理论与试验结果表明,这种等效的vmib固体可以再现分布裂纹对岩体力学性能的影响,这为进一步应用vmib模型对岩体破坏行为进行数值模拟奠定了基础,同时也为其他多裂纹体的数值计算提供一种新思路.

关键词： vmib 岩体 VIB 多裂纹材料数值模拟

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Virtual multi-dimensional internal bonds model and its application in simulation of rock mass

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Science China(Technological Sciences) 2008年第2期51卷 192-201页

作者： ZHANG ZhenNan1,2 & GE XiuRun3,4 1 Department of Civil Engineering,Shanghai University,Shanghai 200072,China 2 Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics,Shanghai University,Shanghai 200072, China 3 Institute of Geotechnical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200030,China 4 Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430071,China Department of Civil Engineering Shanghai University Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics Shanghai University Institute of Geotechnical Engineering Shanghai Jiao Tong University

vmib (virtual multi-dimensional internal bonds) is a multiscale mechanical model developed from the VIB (virtual internal bond) theory. In VIB theory,the solid mate-rial is considered to consist of random-distributed material particles in microscale. These particles are connected with normal bonds. The macro constitutive relation is derived from the cohesive law between particles. However,in vmib,the micro particles are connected with both normal and shear bonds. The macro constitutive relation is derived in terms of bond stiffness coefficients. It has been theoretically certified that there exists a corresponding relationship between the two bond stiffness coefficients and the two macro material constants,i.e. the Young’s modulus and Poisson ratio. This corresponding relationship suggests that it should be necessary and sufficient to simultaneously account for the normal and shear interactions between particles. Due to the fact that the fracture criterion is directly incorporated into the constitutive relation,both VIB and vmib present many advantages in simulating fractures of materials. In the damage model of rock mass,a damage tensor is usually defined to describe the distribution of cracks. The damage value in one direction determines the relative stiffness of rock mass in this direction. In vmib solid,the relative distribution density of micro bonds in one direction determines the relative macro stiffness of the material in this direction. The effects of the damage value and the relative distribution density of bonds are consistent. To simulate the failure behavior of rock mass with vmib,the presented paper sets up a quantitative relationship between the damage tensor and the rela-tive distribution density of bonds. Comparison of the theoretical and the experi-mental results shows that vmib model can represent the effect of distributed cracks on rock mass with this relationship. The presented work provides a founda-tion for further simulating fracture behavior

关键词： vmib (virtual multi-dimensional internal bonds) rock mass VIB (virtual internal bonds) multi-cracked body numerical simulation

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