考虑冻融循环作用的岩质边坡裂隙随机扩展的模拟方法技术

本发明专利技术公开了考虑冻融循环作用的岩质边坡裂隙随机扩展的模拟方法，包括如下步骤：设定裂隙扩展的区域；计算裂隙中水冰相变产生的冻胀力；计算有效体积膨胀系数；判断裂隙是否能够扩展；判断裂隙扩展后，将扩展后的裂隙作为初始裂隙，依据上述步骤拟下一次冻融循环中裂隙的开裂过程，直至裂隙一端达到扩展区域边界或冻融循环次数达到最大值时模拟结束。本发明专利技术提供的方法模拟岩质边坡在冻融循环作用下裂隙的扩展过程，得到的裂隙形态真实，弥补了已有方法受限于试样尺寸的缺陷，且生成的裂隙模型能够导入数值模拟软件进行力学分析，且计算效率高。算效率高。算效率高。

【技术实现步骤摘要】
考虑冻融循环作用的岩质边坡裂隙随机扩展的模拟方法


[0001]本专利技术属于岩质边坡裂隙扩展的
，具体涉及一种考虑冻融循环作用的岩质边坡裂隙随机扩展的模拟方法。

技术介绍

[0002]岩体内部含有不同尺度的节理，为水的存储和运移提供了场所和通道。由于昼夜和季节交替产生的温度差异，高海拔、寒区岩质边坡中水冰相变和水分迁移现象频繁交替发生。水冻结成冰会产生约9％的体积膨胀，从而产生冻胀力。当冻胀力超过裂隙扩展的阈值时会驱动岩质边坡中裂隙扩展，最终造成整个边坡的冻胀破坏，出现滑坡、崩塌等地质灾害。建立渗流场、温度场、化学场、应力场等多场耦合模型模拟岩质边坡的冻融循环过程，以强度折减法表示岩质边坡的劣化过程，能对岩质边坡冻融循环破坏的特性进行初步分析。但是该方法不能模拟冻融循环作用下岩质边坡内部裂隙的延伸扩展过程。并且将岩体强度进行整体折减，忽略了裂隙在局部区域内造成的应力集中现象，可能会低估裂隙对于岩体工程安全的影响。裂隙是影响岩质边坡冻胀特性的主要因素，模拟冻融循环作用下真实形态的裂隙的扩展是当前亟需解决的问题。
[0003]离散元法用岩石颗粒间粘结键的断裂模拟裂缝的延伸扩展过程，扩展有限元法(XFEM)和真实破裂过程分析法(RFPA)用裂隙延伸的长度表示裂隙的扩展，但是以上数值模拟难以模拟真实的裂隙形态，且没有考虑裂隙延伸段中水分冻胀力的影响。用CT扫描等技术可以获取真实的裂隙形态，但该方法大多适用于试样尺寸，难以获取边坡等岩体工程内部的裂隙。弥补以上方法不足的基础和关键是寻找一种能够模拟不同尺度的岩体在冻融循环过程中裂隙扩展的方法，生成的裂隙能够表示真实的裂隙形态，且模型能够应用于复杂的数值计算中。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种考虑冻融循环作用的岩质边坡裂隙随机扩展的模拟方法，该方法不受尺度的限制，能够模拟不同尺度岩体的裂隙在冻融循环作用下的延伸扩展过程和真实裂隙形态。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种考虑冻融循环作用的岩质边坡裂隙随机扩展的模拟方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1：依据模拟对象的实际情况，确定裂隙扩展的区域；
[0008]步骤2：依据模拟对象的实际情况，确定岩体的弹性模量E
s
、泊松比v
s
和抗拉强度f
t
；
[0009]步骤3：依据模拟对象的实际情况，确定初始裂隙的长度a、宽度b和数量，随着冻融循环次数的增加，计算并更新形状系数η
n
；
[0010]步骤4：依据模拟对象的实际情况，确定冰的弹性模量E
i
和泊松比v
i
以及裂隙水的冻胀度s和冻结速率q，并计算水冰相变的有效体积膨胀系数β
e
；
[0011]步骤5：依据步骤2
‑
4确定的参数，计算每条裂隙中水冰相变产生的冻胀力p
n
；
[0012]步骤6：以最大拉应力作为断裂准则，比较步骤2中岩体的抗拉强度f
t
和步骤5中冻胀力p
n
的大小，若p
n
≥f
t
，则裂隙达到了扩展条件；
[0013]步骤7：判断裂隙体积增量ΔV
n
是否大于0；
[0014]步骤8：若p
n
≥f
t
且ΔV
n
＞0，则判断裂缝沿着尖端扩展；反之，则判断裂隙不扩展；
[0015]步骤9：将扩展后的裂隙作为初始裂隙，依据步骤1
‑
8模拟下一次冻融循环中裂隙的开裂过程，直至裂隙一端达到扩展区域边界或冻融循环次数达到最大值时模拟结束。
[0016]进一步地，步骤3中，裂隙的位置和倾斜角度可以是固定或随机的，裂隙形状系数的计算公式如下：
[0017][0018]进一步地，步骤4中，水冰相变的有效体积膨胀系数决定了裂隙延伸的体积ΔV
n
、β
e
和ΔV
n
的计算公式分别如下所示：
[0019]β
e
＝s(1
‑
e
‑
qt
)；
[0020]ΔV
n
＝β
e
V
n
‑1；
[0021]式中：V
n
‑1为n
‑
1次冻融循环后裂隙的体积，t为冻结时间。
[0022]进一步地，步骤5中在计算冻胀力p
n
时，假设裂隙中的水是饱和状态，且忽略水的压缩性，忽略冻结过程中环境温度梯度引起的岩石应变，冻胀力均匀分布于裂隙，将岩体视为各向同性弹性介质，在平面应变问题的范围内计算冻胀力，冻胀力p
n
的计算公式如下：
[0023][0024]另外，步骤8中，由于裂隙尖端的应力集中效应，裂隙会沿着裂隙尖端延伸扩展，裂隙扩展后的形状保持不变，且裂隙始终处于充满水的状态。
[0025]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0026](1)本专利技术基于MATLAB代码模拟岩质边坡在冻融循环作用下的损伤劣化过程，能够模拟出真实裂隙形态；
[0027](2)本专利技术的方法不受尺度的限制，能够模拟不同尺度岩体的裂隙在冻融循环作用下的延伸扩展过程；
[0028](3)经过n次冻融循环后，裂隙沿着尖端延伸扩展，延伸后的裂隙依然处于水饱和状态，在n+1次冻融循环中考虑了初始裂隙和裂隙延伸段水冰相变产生的冻胀力的影响，与实际工况相符合；
[0029](4)本专利技术能够高效模拟裂隙的延伸扩展过程，且生成的模型能够应用于复杂的数值计算中，且计算效率高。
附图说明
[0030]图1是本专利技术实施例冻融循环中模拟裂隙扩展过程的流程图；
[0031]图2是本专利技术实施例1、2中边坡的形状与尺寸；
[0032]图3是本专利技术实施例1、2中的裂隙的基本形态和扩展模式示意图，其中P1、P2、P3表
示裂隙沿不同方向扩展的概率，相邻扩展方向间的角度为60
°
；
[0033]图4是本专利技术实施例1、2中计算冻胀力的模型示意图；
[0034]图5是本专利技术实施例1中岩质边坡的单条裂隙在冻融循环作用下的扩展过程，a、b、c分别表示边坡冻融循环25次、60次、120次后的随机单裂隙模型；
[0035]图6是实施例2中岩质边坡的多条裂隙在冻融循环作用下的扩展过程，a、b分别表示冻融循环50次、60次后的随机多裂隙模型。
具体实施方式
[0036]下面将结合本专利技术实施例对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑冻融循环作用的岩质边坡裂隙随机扩展的模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：依据模拟对象的实际情况，确定裂隙扩展的区域；步骤2：依据模拟对象的实际情况，确定岩体的弹性模量E
s
、泊松比v
s
和抗拉强度f
t
；步骤3：依据模拟对象的实际情况，确定初始裂隙的长度a、宽度b和数量，随着冻融循环次数的增加，计算并更新形状系数η
n
；步骤4：依据模拟对象的实际情况，确定冰的弹性模量E
i
和泊松比v
i
以及裂隙水的冻胀度s和冻结速率q，并计算水冰相变的有效体积膨胀系数β
e
；步骤5：依据步骤2
‑
4确定的参数，计算每条裂隙中水冰相变产生的冻胀力p
n
；步骤6：以最大拉应力作为断裂准则，比较步骤2中岩体的抗拉强度f
t
和步骤5中冻胀力p
n
的大小，若p
n
≥f
t
，则裂隙达到了扩展条件；步骤7：判断裂隙体积增量ΔV
n
是否大于0；步骤8：若p
n
≥f

【专利技术属性】
技术研发人员：唐小松，刘勇，刘曼曼，王方同，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：