一种适用于节理岩体的多场多尺度数值分析方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种适用于节理岩体的多场多尺度数值分析方法及系统，涉及土木工程、水利水电工程、新能源工程技术领域，包括：宏观计算框架建立步骤、细观尺度数值模型建立步骤、渗流应力耦合模型建立步骤、数值均匀化分析步骤。本发明专利技术将传统的本构建模和积分过程转化为周期性边界条件下的精细结构模拟与均匀化分析，首先克服了传统本构建模的小变形假定，允许材料发生大变形力学行为；其次该方法从岩体的精细结构出发，不需要传统的本构建模过程，对于复杂结构岩体具有普遍的适用性。对于复杂结构岩体具有普遍的适用性。对于复杂结构岩体具有普遍的适用性。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于节理岩体的多场多尺度数值分析方法及系统


[0001]本专利技术涉及土木工程、水利水电工程、新能源工程
，尤其涉及一种适用于节理岩体的多场多尺度数值分析方法及系统。

技术介绍

[0002]岩石的形成过程是一段漫长的地质过程，在其结晶、沉积、变质的过程中，由于地质构造运动的作用，将使得岩石内部形成大量、几乎无规则出现的裂隙，这些裂隙的存在，将降低岩石的变形模量、强度、承载力等力学指标，威胁工程安全，因此研究内含不同大小、尺寸的裂隙的岩石材料的力学性质变化特征具有重要的学术与工程意义。
[0003]节理，也称为裂隙，是岩体受力断裂后两侧岩块没有显著位移的小型断裂构造。节理是很常见的一种构造地质现象，就是我们在岩石露头上所见的裂缝，或称岩石的裂缝。这是由于岩石受力而出现的裂隙，但裂开面的两侧没有发生明显的(眼睛能看清楚的)位移，地质学上将这类裂缝称为节理，在岩石露头上，到处都能见到节理。
[0004]地壳上部岩石中最广泛发育的一种断裂构造。通常，受风化作用后易于识别，在石灰岩地区，节理和水溶作用形成喀斯特。岩石中的裂隙，是没有明显位移的断裂。节理是地壳上部岩石中最广泛发育的一种断裂构造。按成因节理可分为：
①
原生节理，成岩过程中形成，如沉积岩中因缩水而造成的泥裂或火成岩冷却收缩而成的柱状节理；
②
构造节理，由构造变形而成；
③
非构造节理，由外动力作用形成的，如风化作用、山崩或地滑等引起的节理，常局限于地表浅处。
[0005]节理岩体的具有复杂的结构特性，难以建立准确描述节理渗流应力耦合连续
‑
非连续行为的宏观本构模型；当前的精细结构模拟目前仅适用于小尺度模拟，尚无法直接用于岩体工程。
[0006]因此，提出一种适用于节理岩体的多场多尺度数值分析方法及系统，来解决现有技术存在的困难，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本专利技术提供了一种适用于节理岩体的多场多尺度数值分析方法及系统，首先克服了传统本构建模的小变形假定，允许材料发生大变形力学行为；其次该方法从岩体的精细结构出发，不需要传统的本构建模过程，对于复杂结构岩体具有普遍的适用性。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]一种适用于节理岩体的多场多尺度数值分析方法，包括以下步骤：
[0010]S101.宏观计算框架建立步骤：根据岩体工程地质剖面，建立岩体工程的几何模型，并进行网格剖分生成宏观数值模型；
[0011]S201.细观尺度数值模型建立步骤：根据现场岩体结构特性，获得几何模型的统计特征，采用网格映射的方式，生成具有周期性结构的细观尺度实体单元数值模型，模型的单元为四节点渗流单元；
[0012]S301.渗流应力耦合模型建立步骤：在节理面上嵌入0厚度内聚力渗流单元模拟节理的渗流和力学行为，得到渗流应力耦合模型；
[0013]S401.数值均匀化分析步骤：结合细观尺度数值模型与渗流应力耦合模型开展精细结构模型的渗流应力耦合连续
‑
非连续数值模拟，基于数值均匀化理论和精细结构渗流应力耦合模拟结果，采用体积平均和静力凝聚方法计算等效宏观物理力学参量，并返回到宏观模型的迭代计算中。
[0014]上述的方法，可选的，S101.宏观计算框架建立步骤中，工程尺度上把岩体等效为均匀材料，将水视为可压缩流体，最终宏观模型尺度需要满足Biot方程、有效应力原理和连续性方程。
[0015]上述的方法，可选的，S301.渗流应力耦合模型建立步骤中，内聚力渗流单元采用基于损伤的牵连分离法则满足公式(1)，其渗透特征采用立方定律公式(2)，公式具体如下：
[0016][0017][0018]其中，σ
n
和τ
s
为法向和切向应力分量；E
nn
，E
ss
，E
ns
和E
sn
为材料参数，μ
f
为流体粘性，p
f
为沿着裂隙面的孔压。
[0019]上述的方法，可选的，S401.数值均匀化分析步骤中还包括：根据节理岩体精细结构模型的尺寸，将宏观模型高斯积分点上参量转化为精细结构模型的周期性边界约束，分为位移约束和孔压约束两类。
[0020]上述的方法，可选的，在位移约束时，采用有限应变假设，既剪应变是不对称的，即其中，u
i
和u
j
为位移分量，x
i
和x
j
为坐标分量。
[0021]上述的方法，可选的，S401.数值均匀化分析步骤中还包括：通过无序节点集合的多点约束的方式实现周期性边界条件的快速施加。
[0022]一种适用于节理岩体的多场多尺度数值分析系统，应用上述的一种适用于节理岩体的多场多尺度数值分析方法，包括依次连接的宏观计算框架建立模块、细观尺度数值模型建立模块、渗流应力耦合模型建立模块和数值均匀化分析模块；
[0023]宏观计算框架建立模块，用于根据岩体工程地质剖面，建立岩体工程的几何模型，并进行网格剖分生成宏观数值模型；
[0024]细观尺度数值模型建立模块，用于根据现场岩体结构特性，获得几何模型的统计特征，采用网格映射的方式，生成具有周期性结构的细观尺度数值模型；
[0025]渗流应力耦合模型建立模块，用于在节理面上嵌入0厚度内聚力渗流单元模拟节理的渗流和力学行为，得到渗流应力耦合模型；
[0026]数值均匀化分析模块，用于结合细观尺度数值模型与渗流应力耦合模型开展精细结构模型的渗流应力耦合连续
‑
非连续数值模拟，基于数值均匀化理论和精细结构渗流应力耦合模拟结果，采用体积平均和静力凝聚方法计算等效宏观物理力学参量，并返回到宏观模型的迭代计算中。
[0027]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术提供了一种适用于节理岩体
的多场多尺度数值分析方法及系统：将传统的本构建模和积分过程转化为周期性边界条件下的精细结构模拟与均匀化分析，首先克服了传统本构建模的小变形假定，允许材料发生大变形力学行为；其次该方法从岩体的精细结构出发，不需要传统的本构建模过程，对于复杂结构岩体具有普遍的适用性。
附图说明
[0028]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0029]图1为本专利技术提供的一种适用于节理岩体的多场多尺度数值分析方法流程图；
[0030]图2为本专利技术提供的一种适用于节理岩体的多场多尺度数值分析系统结构框图；
[0031]图3为本专利技术提供的非连续材料的多场多尺度数值分析方法流程图；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于节理岩体的多场多尺度数值分析方法，其特征在于，包括以下步骤：S101.宏观计算框架建立步骤：根据岩体工程地质剖面，建立岩体工程的几何模型，并进行网格剖分生成宏观数值模型；S201.细观尺度数值模型建立步骤：根据现场岩体结构特性，获得几何模型的统计特征，采用网格映射的方式，生成具有周期性结构的细观尺度实体单元数值模型，模型的单元为四节点渗流单元；S301.渗流应力耦合模型建立步骤：在节理面上嵌入0厚度内聚力渗流单元模拟节理的渗流和力学行为，得到渗流应力耦合模型；S401.数值均匀化分析步骤：结合细观尺度数值模型与渗流应力耦合模型开展精细结构模型的渗流应力耦合连续
‑
非连续数值模拟，基于数值均匀化理论和精细结构渗流应力耦合模拟结果，采用体积平均和静力凝聚方法计算等效宏观物理力学参量，并返回到宏观模型的迭代计算中。2.根据权利要求1所述的一种适用于节理岩体的多场多尺度数值分析方法，其特征在于，S101.宏观计算框架建立步骤中，工程尺度上把岩体等效为均匀材料，将水视为可压缩流体，最终宏观模型尺度需要满足Biot方程、有效应力原理和连续性方程。3.根据权利要求1所述的一种适用于节理岩体的多场多尺度数值分析方法，其特征在于，S301.渗流应力耦合模型建立步骤中，内聚力渗流单元采用基于损伤的牵连分离法则满足公式(1)，其渗透特征采用立方定律公式(2)，公式具体如下：满足公式(1)，其渗透特征采用立方定律公式(2)，公式具体如下：其中，σ
n
和τ
s
为法向和切向应力分量；E
nn
，E
ss
，E
ns
和E
sn
为材料参数，μ
f
为流体粘性，p
f
为沿着裂隙面的孔压。4.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：高洁，任大忠，叶征，孟琳，罗碧玉，丰培洁，田超，孟庆祥，
申请(专利权)人：陕西交通职业技术学院，
类型：发明
国别省市：