一种各向异性岩体应力-损伤-渗流耦合数值模拟方法技术

本发明专利技术实施例公开了一种各向异性岩体应力‑损伤‑渗流耦合数值模拟方法，其包括S1、基于Hoek‑Brown准则，创建各向异性岩体弹塑性损伤模型；S2、对各向异性岩体弹塑性损伤模型的进行数值求解；S3、建立各向异性的渗透系数演化方程；S4、建立应力‑渗流耦合作用下的岩土体平衡方程和连续性方程，并对应力场和渗流场进行离散以建立各向异性岩体应力‑损伤‑渗流耦合有限元求解模型；S5、给定工程条件即施加边界条件进行岩体应力‑渗流场进行耦合分析以获取当前工程条件对应的安全性评价数据。本发明专利技术能够综合考虑各向异性特征、结构面强度、塑性损伤和渗流作用对岩体稳定性的影响，并对耦合模型的精确求解，对复杂条件下岩土工程稳定性分析具有良好的指导意义。

【技术实现步骤摘要】
一种各向异性岩体应力-损伤-渗流耦合数值模拟方法
本专利技术涉及隧道稳定分析
，尤其涉及一种各向异性岩体应力-损伤-渗流耦合数值模拟方法。
技术介绍
由于岩体中存在层理、节理、片理等结构面，且受加载方向不同的影响，其变形和强度特性表现出各向异性。此外，在实际工程中，机械或爆破开挖还会对周围岩体产生应力扰动，使其内部裂隙、微缺陷等聚核发育，形成损伤，造成岩体宏观力学性质发生弱化。对处于富水区的岩土工程而言，地下水的渗流现象十分明显，其产生的动水压力造成岩体应力场发生变化，使其裂隙进一步扩展，再次加剧了岩体内部的损伤程度，对工程安全造成威胁。因此，在进行岩土工程稳定性评价时，有必要考虑岩体的各向异性-损伤-渗流的耦合特性。尽管国内外研究人员对各向异性岩体强度准则展开了研究，如杨强等通过引入一个二阶损伤张量的方法，建立了基于Mohr-Coulomb准则(M-C)的各向异性节理岩体的抗剪屈服准则隐式表达式；如周鹏发等对遍布节理模型进行了改进，使其能够同时考虑岩石强度和弹性变形的各向异特征，并基于此模型研究了千枚岩隧道的施工力学特性；如张思本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种各向异性岩体应力-损伤-渗流耦合数值模拟方法，其特征在于，包括：/nS1、基于Hoek-Brown准则，创建各向异性岩体弹塑性损伤模型；/nS2、对各向异性岩体弹塑性损伤模型的进行数值求解；/nS3、建立各向异性的渗透系数演化方程，以确定损伤和体积应变对渗透系数的影响因子；/nS4、建立应力-渗流耦合作用下的岩土体平衡方程和连续性方程，并对应力场和渗流场进行离散以建立各向异性岩体应力-损伤-渗流耦合有限元求解模型从而获取对应的孔隙水压和渗透系数分布数据；/nS5、给定工程条件即施加边界条件并输入对应的材料参数，基于步骤S1-S4进行岩体应力-渗流场进行耦合分析以获取当前工程条件对应的安...

【技术特征摘要】
1.一种各向异性岩体应力-损伤-渗流耦合数值模拟方法，其特征在于，包括：
S1、基于Hoek-Brown准则，创建各向异性岩体弹塑性损伤模型；
S2、对各向异性岩体弹塑性损伤模型的进行数值求解；
S3、建立各向异性的渗透系数演化方程，以确定损伤和体积应变对渗透系数的影响因子；
S4、建立应力-渗流耦合作用下的岩土体平衡方程和连续性方程，并对应力场和渗流场进行离散以建立各向异性岩体应力-损伤-渗流耦合有限元求解模型从而获取对应的孔隙水压和渗透系数分布数据；
S5、给定工程条件即施加边界条件并输入对应的材料参数，基于步骤S1-S4进行岩体应力-渗流场进行耦合分析以获取当前工程条件对应的安全性评价数据，从而给出施工建议。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1中各向异性岩体弹塑性损伤模型对应的模型公式为：



式(1)中：σ1和σ3分别为各向异性岩体的最大主应力和最小主应力；σci为完整岩石的单轴抗压强度；mb、a为针对不同岩体的量纲一的经验参数；s为反映岩体破碎程度的经验参数；D为弹塑性损伤变量，其表达式为：



式(2)中：α取值范围为[0,+∞)；β取值范围为[0,1)，为等效塑性应变，其表达式为：



式中：εp1、εp2、εp3为笛卡尔坐标系中x、y、z方向的主塑性应变。
η为各向异性参数，其表达式为：



式中：η0为微结构张量主值均值对岩体软硬程度的影响参数；同时设定Ω1＝Ω3，Ω1+Ω2+Ω3＝0，此时，则η表示为：



此外损伤D对弹性模量产生弱化作用的表达式为：
E＝(1-D)E0(6)
式(6)中：E为损伤后的弹性模量；E0为初始未损伤弹性模量。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S2中数值求解过程包括：
S21、对所述各向异性岩体弹塑性损伤模型进行弹性预测以求解对应的预测应力；
S22、将所获得预测应力代入屈服函数以判断是否屈服函数大于零，是则进行步骤S23即对预测应力进行塑性修正，否则预测应力即为更新应力，结束计算进入下一荷载步；
S23、对所述预测应力进行塑性修正，以使得所述预测应力能够返回至屈服函数对应的屈服面；
S24、塑性修正结束后，获得各个主塑性应变对应的增量并计算出损伤变量，利用损伤变量对应力再次进行修正即损伤修正。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述弹性预测过程包括：
将预测应力代入式(1)的屈服函数中进行判断，所述tn+1时刻的弹性预测应力的表达式为



式(7)中：σn为tn时刻的应力，为tn时刻的内变量，△εn+1为tn+1时刻的应变增量。


5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述塑性修正过程包括：
对tn+1时刻进入塑性状态的预测应力进行修正，对应的修正公式为：



式(8)中：Δλ为塑性因子增量；h为塑性势函数对应力的导数，△σp为塑性应力增量，g为塑性势函数，其表达式为：



式(9)中：σcig，mbg，sg，ag为塑性势函数中的参数，本方法采用关联流动法则，因此式(9)中的取值与式(1)中的σci,mb,s和a相同；
同时根据应力回映位置修改Δλh的表达式，并基于公式(8)与式(1)求解更新应力σn+1，则Δλh的表达式的修改过程具体包括：
1)当应力回映至屈服面上时，其表达式为：



2)当应力回映至左棱线或右棱线时，其表达式分别为：

或
式(11)中：



3)当应力回映至尖点时，其表达式为：



式(12)中：


6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述损伤修正包括：
计算完更新应力后，即可由下式(13)求得主塑性应变εp1、εp2、εp3增量：



将求得的塑性应变代入式(3)和式(2)从而计算出损伤变量Dn+1，基于损伤变量Dn+1对应力进行再次修正：



式(14)中：σ′n+1为最终计算所得的应力。


7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜谙男，许梦飞，张广涛，于海，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21