一种地下厂房多块体围岩变形的数值模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种地下厂房多块体围岩变形的数值模拟方法，包括如下步骤：应用基于互补理论的非连续变形分析法模拟多块体围岩中块体的大位移及大变形问题；应用有限单元法模拟块体内部的位移场及应力场；基于互补理论的非连续变形分析与有限单元耦合方法可以实现多块体围岩的连续与非连续变形分析。本发明专利技术可以考虑多块体围岩中块体的内部连续变形与块体之间的非连续变形，结合了非连续变形分析法和有限单元法各自的优点，克服了传统的非连续变形分析与有限单元耦合方法中罚因子参数的取值及“开‑闭迭代”循环运算。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提出了一种地下厂房多块体围岩变形的数值模拟方法，适用于隧道、地下硐室及水电站地下厂房等地下开挖工程中多块体围岩稳定性分析的数值模拟方法。
技术介绍
一般岩体工程中常包含有裂缝、断层级夹层等，在地下硐室、隧道和水电站地下厂房等地下开挖工程中可能导致多块体围岩中出现局部岩体滑移变形。锚杆加固是保证多块体围岩中岩石块体稳定的最常用的手段之一，因此，锚固岩体的力学特性分析则成为岩土力学数值计算中必不可少的内容。近年来，从两个方面分别对锚杆模拟作出了研究：在实验模拟研究方面，许多学者对锚杆模拟做出了实验研究和现场试验；在数值模拟研究方面，研究人员对锚杆数值模型的力学参数和与岩体介质的作用作出了大量的研究。非连续变形分析法已逐渐发展为解决复杂工程结构的一种有效的数值算法，实现了完整的块体运动学理论，通过时步迭代求解的多块体围岩中岩石块体的大位移、大变形解。非连续变形分析方法采用完全一阶位移函数来描述块体的位移和变形，只能得到块体内部的常应力，并且限制了描述块体变形的能力。为了模拟多块体围岩的连续与非连续变形分析，提出非连续变形分析与有限单元耦合方法，对多块体围岩进行有限单元网格剖分，用有限元方法来描述块体内部的位移场和应力场，块体运动和块体接触仍采用非连续变形分析方法来模拟，从而结合了有限单元法和非连续变形分析方法的优点，实现了多块体围岩的连续与非连续变形分析。然而，在传统的非连续变形分析与有限单元耦合方法运行计算中，引入了罚因子参数的取值以及在循环计算中出现了“开-闭迭代”运算，对计算结果的精确度和计算效率有一定的影响。
技术实现思路
针对传统非连续变形分析与有限单元耦合方法面临的不足，本专利技术提出一种基于互补理论的连续与非连续变形分析耦合的数值模拟方法，解决了传统的非连续变形分析与有限单元耦合方法中罚因子参数取值和“开-闭迭代”计算的缺陷。本专利技术是通过以下技术方案实现的：地下厂房多块体围岩变形的数值模拟方法，具体包括以下步骤：（1）选取多块体围岩的分析模型尺寸，进行有限单元网格剖分；（2）确定多块体围岩材料常数，分析其荷载分布，依据有限单元法中网格单元的位移函数表达式，建立多块体围岩中块体内网格单元的基于动量守恒原理的变分形式，简化网格单元的变分方程得到块体内网格单元的刚度方程；（3）组装围岩中块体内网格单元刚度方程，形成单个块体刚度方程；（4）依据对角矩阵形式组装围岩中的单个块体刚度方程得到多块体围岩的总刚度方程；（5）在多块体围岩中布置端部锚固预应力锚杆，在块体的锚杆端点处集中力荷载随变形变化，附加到块体内相应网格单元的荷载分布中模拟分析；（6）判断多块体围岩中块体之间的接触形式，描述块体之间存在的接触条件表达式；（7）联立多块体围岩的总刚度方法和接触条件方程，构建多块体围岩稳定性分析的数值模型；（8）分析多块体围岩稳定性分析的数值模型中函数的性质，定义关于数值模型的价值函数，选择全局收敛性的方法求解其数值模型；（9）设定未知变量初始值和误差允许值，应用数学优化方法求解得满足误差允许值的多块体围岩内块体的节点位移分量和块体间的接触力分量。所述步骤（2）中，分析块体网格单元的荷载分布，建立单元的动量守恒变分等式方程，消去等式方程中的虚位移和虚应变，简化整理等式方程得单个网格单元的刚度方程。所述步骤（3）～步骤（7）中，组装块体内所有网格单元的刚度方程得到块体的单个块体刚度方程，再组装块体的单个块体刚度方程得到多块体围岩的总刚度方程，联立多块体围岩中的接触方程组，构成多块体围岩的基于互补理论的连续与非连续变形分析的数值模型。所述步骤（9）中，比较分析不同预应力端部锚固锚杆作用下多块体围岩中不同岩石块体接触面上节点的相对位移分量来衡量多块体围岩的变形状况，即可判定块体围岩的稳定性能。所述步骤（9）中，采用路径牛顿法求解得到满足误差允许值的多块体围岩稳定性分析的数值模型的未知变量。附图说明图1为本专利技术地下厂房多块体围岩变形的数值模拟方法流程图；图2为地下引水发电系统多块体围岩网格单元分布示意图；图3为断层与地下引水发电系统相交网格单元分布示意图；图4为地下引水发下系统多块体围岩特定横截面断层分布示意图；图5为多块体围岩横截面的网格单元分布示意图；图6为锚固后变形量放大500倍的多块体围岩横截面变形图；图7为不同预应力锚杆锚固后特定横截面内断层F5在X方向上的相对位移变形曲线图；图8为不同预应力锚杆锚固后特定横截面内断层F5在Y方向上的相对位移变形曲线图；图9为不同预应力锚杆锚固后特定横截面内断层F18在X方向上的相对位移变形曲线图；图10为不同预应力锚杆锚固后特定横截面内断层F18在Y方向上的相对位移变形曲线图；图11为不同预应力锚杆锚固后特定横截面内断层F12在X方向上的相对位移变形曲线图；图12为不同预应力锚杆锚固后特定横截面内断层F12在Y方向上的相对位移变形曲线图；图13为不同预应力锚杆锚固后特定横截面内断层F1在X方向上的相对位移变形曲线图；图14为不同预应力锚杆锚固后特定横截面内断层F1在Y方向上的相对位移变形曲线图。具体实施方式本专利技术提出的基于互补理论的连续与非连续变形分析耦合的数值模拟方法，具体步骤是：步骤（1）、对多块体围岩中块体进行有限单元网格剖分，以二维四节点单元为例，块体内有限单元的位移函数表示为：(u v)T=[Ni(ξ,η)][di]式中[Ni(ξ,η)]为形函数，[di]=(u1 v1 w1 … u4 v4 w4)T；步骤（2）、锚杆末端点以集中力荷载考虑，荷载大小随块体单元的位移变化而变化的，锚杆集中力荷载的表达式为： s = 0 s < 0 E A Δ l l 0 < s < T T s > T ]]>式中，E为锚杆材料弹性模量，A为横截面积，T为最大拉应力，l为长度，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种地下厂房多块体围岩变形的数值模拟方法，其特征在于，基于互补理论的连续与非连续变形分析耦合的数值模拟方法，选取合适的地下厂房围岩的模型尺寸大小，对多块体围岩进行有限单元网格剖分，确立多块体围岩的材料参数，分析预应力端部锚固锚杆加固后的多块体围岩中岩石块体的位移变形，具体包括以下步骤：(1)选取多块体围岩的分析模型尺寸，进行有限单元网格剖分；(2)确定多块体围岩材料常数，分析其荷载分布，依据有限单元法中网格单元的位移函数表达式，建立多块体围岩中块体内网格单元的基于动量守恒原理的变分形式，简化网格单元的变分方程得到块体内网格单元的刚度方程；(3)组装围岩中块体内网格单元刚度方程，形成单个块体刚度方程；(4)依据对角矩阵形式组装围岩中的单个块体刚度方程得到多块体围岩的总刚度方程；(5)在多块体围岩中布置端部锚固预应力锚杆，在块体的锚杆端点处集中力荷载随变形变化，附加到块体内相应网格单元的荷载分布中模拟分析；(6)判断多块体围岩中块体之间的接触形式，描述块体之间存在的接触条件表达式；(7)联立多块体围岩的总刚度方法和接触条件方程，构建多块体围岩稳定性分析的数值模型；(8)分析多块体围岩稳定性分析的数值模型中函数的性质，定义关于数值模型的价值函数，选择全局收敛性的方法求解其数值模型；(9)设定未知变量初始值和误差允许值，应用数学优化方法求解得满足误差允许值的多块体围岩内块体的节点位移分量和块体间的接触力分量。...

【技术特征摘要】
1.一种地下厂房多块体围岩变形的数值模拟方法，其特征在于，基于互补理论的连续与非连续变形分析耦合的数值模拟方法，选取合适的地下厂房围岩的模型尺寸大小，对多块体围岩进行有限单元网格剖分，确立多块体围岩的材料参数，分析预应力端部锚固锚杆加固后的多块体围岩中岩石块体的位移变形，具体包括以下步骤：(1)选取多块体围岩的分析模型尺寸，进行有限单元网格剖分；(2)确定多块体围岩材料常数，分析其荷载分布，依据有限单元法中网格单元的位移函数表达式，建立多块体围岩中块体内网格单元的基于动量守恒原理的变分形式，简化网格单元的变分方程得到块体内网格单元的刚度方程；(3)组装围岩中块体内网格单元刚度方程，形成单个块体刚度方程；(4)依据对角矩阵形式组装围岩中的单个块体刚度方程得到多块体围岩的总刚度方程；(5)在多块体围岩中布置端部锚固预应力锚杆，在块体的锚杆端点处集中力荷载随变形变化，附加到块体内相应网格单元的荷载分布中模拟分析；(6)判断多块体围岩中块体之间的接触形式，描述块体之间存在的接触条件表达式；(7)联立多块体围岩的总刚度方法和接触条件方程，构建多块体围岩稳定性分析的数值模型；(8)分析多块体围岩稳定性分析的数值模型中函数的性质，定义关于数值模型的价值函数，选择全局收敛性的方法求解其数值模型；(9)设定...

【专利技术属性】
技术研发人员：任志明，苏超，赵业彬，董义佳，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32