一种考虑宏细观缺陷耦合的岩体力学数值建模方法技术

本发明专利技术涉及一种考虑宏细观缺陷耦合的岩体力学数值建模方法，该方法包括以下步骤：第一步，生成数值计算模型：采用FLAC3D程序进行数值建模，设定计算模型的平面尺寸、厚度及边界条件，采用三节点三角形单元对模型进行超细网格划分，超细网格划分时划分的网格单元为立方体，立方体的边长不大于1mm；设定岩体或岩质边坡的本构模型及参数，建立数值计算模型；第二步，生成宏观缺陷：第三步，生成细观缺陷。该方法中宏观缺陷代表宏观的节理、裂隙等，而细观缺陷代表微裂隙等，该方法同时考虑了岩体中存在的宏观和细观两类缺陷，使其建模得到的岩体更加与实际岩体接近。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑宏细观缺陷耦合的岩体力学数值建模方法
本专利技术属于岩土工程研究领域，具体涉及一种考虑宏细观缺陷耦合的岩体力学数值建模方法。
技术介绍
在长期而复杂的地质作用及人类工程活动影响下，岩体中形成了各种尺度的天然缺陷如大到区域性断层、中等尺度的节理裂隙、细观的微裂隙和微孔洞，甚至微观的分子及原子尺度上的缺陷。上述各种不同尺度缺陷的存在不仅为岩体的进一步破坏提供了裂纹源，而且它们之间的相互作用也对岩体的强度及破坏模式等力学特性都有着非常重要的影响。在早期研究者通常是把岩体作为均质各向同性或层状横观各向同性的弹性体来考虑。而后随着新的观测仪器及方法如扫描电镜等的出现，人们发现宏观完整岩石的内部还存在着众多的微裂隙及微孔洞等细观缺陷。由于数值方法具有效率高、费用低、可重复性好等特点，目前已成为岩土力学研究中的一个重要手段。基于FLAC3D程序，Fu等(Fu,J.W.；Chen,K.；Zhu,W.S.；Zhang,X.Z.；Li,X.J.:Progressivefailureofnewmodelingmaterialwithasingleinternalcrackunderbiaxialcompressionandthe3-Dnumericalsimulation.Eng.Fract.Mech.165:140-152(2016))通过超细网格划分及选用合理的岩石本构模型，很好地模拟了初始非贯通裂纹在压缩荷载下的扩展过程，但是该过程仅考虑了岩体中存在的初始裂纹等宏观缺陷，而并未考虑岩体中同时存在的微裂隙、微孔洞等细观缺陷对岩体力学特性的影响。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提出一种考虑宏细观缺陷耦合的岩体力学数值建模方法，其中宏观缺陷代表宏观的节理、裂隙等，而细观缺陷代表微裂隙等，该方法同时考虑了岩体中存在的宏观和细观两类缺陷，使其建模得到的岩体更加与实际岩体接近。本专利技术解决所述技术问题采用的技术方案是：提出了一种考虑宏细观缺陷耦合的岩体力学数值建模方法，该方法包括以下步骤：第一步，生成数值计算模型：采用FLAC3D程序进行数值建模，设定计算模型的平面尺寸、厚度及边界条件，采用三节点三角形单元对模型进行超细网格划分，超细网格划分时划分的网格单元为立方体，立方体的边长不大于1mm；设定岩体或岩质边坡的本构模型及参数：若建模对象为岩石，则采用应变软化模型作为本构模型，相应的设定的岩石力学参数包括弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角和抗拉强度；若建模对象为岩质边坡，则采用莫尔库仑弹塑性模型作为岩石及裂隙填充物的本构模型，相应的设定岩石及裂隙填充物的力学参数包括密度、体积模量、剪切模量、粘聚力、内摩擦角、抗拉强度，同时在裂隙填充物与岩石的接触界面上采用节理单元以模拟二者之间可能出现的滑动情况，节理单元的参数包括节理摩擦角、节理粘聚力及其法向和切向刚度；上述本构模型及参数设定好后，则建立数值计算模型；第二步，生成宏观缺陷：宏观缺陷的生成分为两种情况，第1种情况是针对岩石试件，定义肉眼能够识别的规则的奇异缺陷为宏观缺陷，通过在上述的数值计算模型中的指定位置生成具有特定长度、倾角及宽度的条形孔洞模拟实际岩体中的节理、裂隙这类宏观缺陷；第2种情况是针对岩质边坡，此时宏观缺陷为含软弱充填物的节理，采用Goodman节理单元表征节理，以反映节理充填物与周围岩石之间的接触问题；第三步，生成细观缺陷：定义肉眼不能识别的随机出现的毫米级以下的分布缺陷为细观缺陷，细观缺陷包括微裂纹、微孔洞，以孔隙率来度量岩石的细观损伤，设定孔隙率的值，采用FLAC3D中的Null模型来表示细观缺陷，岩石或岩质边坡均可视为由岩石颗粒与孔隙两种材料类型所组成，通过随机分布函数rand()为每一个网格单元分别赋予岩石颗粒材料模型或空材料模型，并使赋予空材料模型的网格单元个数占总网格单元个数的比例等于岩石的孔隙率，即可生成含不同细观缺陷的岩石模型，进而得到含宏细观缺陷耦合的岩体力学数值模型；所述岩石颗粒材料模型即为第一步的本构模型。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术岩石力学建模方法中同时考虑了宏观缺陷和细观缺陷的存在对建模过程的影响，通过随机函数的方式给出细观缺陷，使所建立的岩体力学数值模型更加接近真实岩体情况。实验表明，当孔隙率一定时，细观缺陷存在的具体位置对于模型性质影响不大，当划分网格单元的数量足够多时，因随机函数而产生的计算误差可以忽略不计，本专利技术方法的细观缺陷的生成方式是具有合理性和普遍性的。本专利技术相较于忽略细观缺陷的数值建模方法，更能准确地反应真实模型的受力情况，图3-6和图8-9的实验表明，无论是对于完整岩石或岩质边坡，还是对于含有宏观缺陷的裂隙岩石或裂隙岩质边坡，不同的孔隙率(不同的细观缺陷)的存在，都会对岩石或岩质边坡整体的力学性能具有重大影响，在对岩石或岩质边坡进行力学建模时考虑细观缺陷是非常重要的，本申请方法对于岩体的有效建模能广泛用于采矿、边坡、隧道、公路、坝基等各类岩土工程力学数值分析的研究，为其数据的可靠性进一步提供保障。附图说明：图1为10cm高、5cm宽的计算模型：A为完整试件、B为含一条预制裂隙的试件，其中裂隙倾角为α、长度为2a；图2为三种不同孔隙分布下的岩石应力应变关系图。图3为不同孔隙率n时的完整岩石试件单轴压缩应力应变关系图。图4为完整岩石试件单轴抗压强度随孔隙率的变化图。图5为不同孔隙率n时的完整岩石试件应力应变关系图。图6为裂隙岩石试件单轴抗压强度随孔隙率的变化图。图7为含宏细观缺陷的岩质边坡计算模型图。图8宏观完整岩质边坡安全系数随孔隙率变化规律图。图9裂隙岩质边坡安全系数随孔隙率变化规律图。具体实施方式：下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。本专利技术考虑宏细观缺陷耦合的岩体力学数值建模方法，该方法包括以下步骤：第一步，生成数值计算模型：采用FLAC3D程序进行数值建模，设定计算模型的平面尺寸、厚度及边界条件，采用三节点三角形单元对模型进行超细网格划分，超细网格划分时划分的网格单元为立方体，立方体的边长不大于1mm；设定岩体或岩质边坡的本构模型及参数：若建模对象为岩石，则采用应变软化模型作为本构模型，相应的设定的岩石力学参数包括弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角和抗拉强度；若建模对象为岩质边坡，则采用莫尔库仑弹塑性模型作为岩石及裂隙填充物的本构模型，相应的设定岩石及裂隙填充物的力学参数包括密度、体积模量、剪切模量、粘聚力、内摩擦角、抗拉强度。同时在裂隙填充物与岩石的接触界面上采用节理单元以模拟二者之间可能出现的滑动情况，节理单元的参数包括节理摩擦角、节理粘聚力及其法向和切向刚度。上述本构模型及参数设定好后，则建立数值计算模型。第二步，生成宏观缺陷：宏观缺陷的生成分为2种情况，第1种是针对岩石试件，定义肉眼能够识别的规则的奇异缺陷为宏观缺陷，通过在上述的数值计算模型中的指定位置生成具有一定长度、倾角及宽度的条形孔洞模拟实际岩体中的节理、裂隙等宏观缺陷，同时假定裂隙是无充填的；采用FLAC3D程序中的Null模型在第一步中的数值计算模型中生成宏观缺陷。第2种情况是针对岩质边坡，此时宏观缺陷为含软弱充填物的节理(这里没有采用与岩石试件相同本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑宏细观缺陷耦合的岩体力学数值建模方法，该方法包括以下步骤：第一步，生成数值计算模型：采用FLAC3D程序进行数值建模，设定计算模型的平面尺寸、厚度及边界条件，采用三节点三角形单元对模型进行超细网格划分，超细网格划分时划分的网格单元为立方体，立方体的边长不大于1mm；设定岩体或岩质边坡的本构模型及参数：若建模对象为岩石，则采用应变软化模型作为本构模型，相应的设定的岩石力学参数包括弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角和抗拉强度；若建模对象为岩质边坡，则采用莫尔库仑弹塑性模型作为岩石及裂隙填充物的本构模型，相应的设定岩石及裂隙填充物的力学参数包括密度、体积模量、剪切模量、粘聚力、内摩擦角、抗拉强度，同时在裂隙填充物与岩石的接触界面上采用节理单元以模拟二者之间可能出现的滑动情况，节理单元的参数包括节理摩擦角、节理粘聚力及其法向和切向刚度；上述本构模型及参数设定好后，则建立数值计算模型；第二步，生成宏观缺陷：宏观缺陷的生成分为两种情况，第1种情况是针对岩石试件，定义肉眼能够识别的规则的奇异缺陷为宏观缺陷，通过在上述的数值计算模型中的指定位置生成具有特定长度、倾角及宽度的条形孔洞模拟实际岩体中的节理、裂隙这类宏观缺陷；第2种情况是针对岩质边坡，此时宏观缺陷为含软弱充填物的节理，采用Goodman节理单元表征节理，以反映节理充填物与周围岩石之间的接触问题；第三步，生成细观缺陷：定义肉眼不能识别的随机出现的毫米级以下的分布缺陷为细观缺陷，细观缺陷包括微裂纹、微孔洞，以孔隙率来度量岩石的细观损伤，设定孔隙率的值，采用FLAC3D中的Null模型来表示细观缺陷，岩石或岩质边坡均可视为由岩石颗粒与孔隙两种材料类型所组成，通过随机分布函数rand()为每一个网格单元分别赋予岩石颗粒材料模型或空材料模型，并使赋予空材料模型的网格单元个数占总网格单元个数的比例等于岩石的孔隙率，即可生成含不同细观缺陷的岩石模型，进而得到含宏细观缺陷耦合的岩体力学数值模型；所述岩石颗粒材料模型即为第一步的本构模型。...

【技术特征摘要】
1.一种考虑宏细观缺陷耦合的岩体力学数值建模方法，该方法包括以下步骤：第一步，生成数值计算模型：采用FLAC3D程序进行数值建模，设定计算模型的平面尺寸、厚度及边界条件，采用三节点三角形单元对模型进行超细网格划分，超细网格划分时划分的网格单元为立方体，立方体的边长不大于1mm；设定岩体或岩质边坡的本构模型及参数：若建模对象为岩石，则采用应变软化模型作为本构模型，相应的设定的岩石力学参数包括弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角和抗拉强度；若建模对象为岩质边坡，则采用莫尔库仑弹塑性模型作为岩石及裂隙填充物的本构模型，相应的设定岩石及裂隙填充物的力学参数包括密度、体积模量、剪切模量、粘聚力、内摩擦角、抗拉强度，同时在裂隙填充物与岩石的接触界面上采用节理单元以模拟二者之间可能出现的滑动情况，节理单元的参数包括节理摩擦角、节理粘聚力及其法向和切向刚度；上述本构模型及参数设定好后，则建立数值计算模型；第二步，生成宏观缺陷：宏观缺陷的生成分为两种情况，第1种情况是针对岩石试件，定义肉眼能够识别的规则的奇异缺陷为宏观缺陷，通过在上述的数值计算模型中的指定位置生成具有特定长度、倾角及宽度的条形孔洞模拟实际岩体中的节理、...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘红岩，谢天铖，祝凤金，蒙跃龙，柏雪松，蒋文豪，阿如汉，
申请(专利权)人：中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11