考虑岩石真实微观特性的连续-非连续数值模型建立方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑岩石真实微观特性的连续

【技术实现步骤摘要】
考虑岩石真实微观特性的连续
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非连续数值模型建立方法


[0001]本专利技术涉及一种基于连续
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非连续数值模型建立和仿真方法。本专利技术属于岩土工程虚拟数值试验仿真领域，实现对节理岩石室内真三轴实验的计算机仿真模拟。

技术介绍

[0002]岩体中存在各种形态、大小、间距、密度、和方向不同的不连续面，使岩体具有不连续性和各向异性的特性，其对岩体的力学性质和破坏形式有着重要影响。在大型边坡、隧道等工程中，往往由于岩体节理的发育，给工程带来安全隐患。因此，研究节理岩体的力学行为是当前岩土工程领域较为热门的话题。
[0003]数值技术的发展带动了数值模拟在岩土工程领域的广泛应用。计算机虚拟仿真试验对比室内试验具有成本低，效率高，可重复性强的优点。颗粒离散元法是数值模拟方法的一种，因其不受变形量限制，可方便地处理非连续介质力学问题，能较好的匹配真实岩石性质进行矿物多晶建模且能在细观层面上反映岩石的破裂机理，在模拟节理类岩石破坏特性方面有着独到的优势。
[0004]随着对岩石研究的深入，学者们逐渐意识到岩石的脆性破坏是裂纹逐渐发展的结果，这主要受显微结构和矿物学性质的控制，这也意味着岩石破裂机制的内在解释需要在晶粒尺度上进行研究。所以在数值模拟的建模中，需要考虑到岩石内部不同成分的矿物组成和不同矿物的力学性质。颗粒离散元法虽然能够较好的建立符合岩石内部不同矿物结构排列的数值模型，不过由于目前计算速度的限制，在进行晶粒尺度上的三维精细化模拟时往往耗时颇多，导致应用较少。

技术实现思路

[0005]为解决传统颗粒离散元法在进行晶粒尺度模拟时耗时较多的问题。本专利技术的目的是提供一种考虑岩石真实微观特性的连续
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非连续数值模型建立方法。该方法通过PFC与FLAC3D两种软件的耦合。核心模拟部分采用离散元法建模，其他部分均采用有限元连续方法建模，在核心部分进行匹配真实岩石晶粒尺度建模的条件下，极大提高了数值模拟的计算效率。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：考虑岩石真实微观特性的连续
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非连续数值模型建立方法，包括如下步骤：
[0007](1)通过电子显微镜扫描、薄片鉴定等技术，获取组成岩石的矿物成分及不同矿物占比和矿物晶体颗粒级配等信息；
[0008](2)根据室内试验真三轴试样大小，建立相同尺寸的节理岩石连续
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非连续真三轴数值试验模型；
[0009](3)设置接触模型，并根据接触所处位置将接触分类并施加不同接触模型，同时根据矿物性质赋予不同接触参数；
[0010](4)施加侧向应力和轴向加载速度，开展耦合真三轴实验。
[0011]其中，步骤(1)的具体步骤包括：
[0012](1.1)通过电子显微镜扫描岩石微观结构图像和X射线衍射识别岩石矿物组成成分；
[0013](1.2)利用PCAS软件识别步骤(1.1)获取的岩石微观结构图像中晶体颗粒，并统计岩石矿物晶体颗粒级配。
[0014]步骤(2)的具体步骤包括：
[0015](2.1)根据真三轴试样尺寸建立FLAC3D模型，删除节理面附近一定宽度内的FLAC3D模型，根据矿物晶体颗粒级配，生成初始颗粒集；
[0016](2.2)在试样模型外部另生成六组加载单元，并在加载单元与表征岩样的实体单元(zone)接触处生成接触面，与颗粒接触处生成耦合墙体；
[0017](2.3)根据初始颗粒中心位置，进行Voronoi剖分，生成rblock块体单元；
[0018](2.4)根据rblock块体单元表面形状，建立geometry几何体；
[0019](2.5)删除初始颗粒和rblock块体单元，在核心区域建立新的填充颗粒并用几何体单元(geometry)将其划分到代表不同晶粒的组内；
[0020]步骤(3)的具体步骤包括：
[0021](3.1)将晶粒内部的颗粒接触的接触模型设置为平行黏结模型(PBM)，并根据晶粒的性质，不同晶粒赋予对应的细观参数；
[0022](3.2)将晶间的接触的接触模型设置为光滑节理模型(SJM)，将与几何体单元(geometry)相交的接触更换为晶间接触模型并赋予接触参数；
[0023](3.3)建立节理面，将与节理面相交的接触模型转换为光滑节理模型，并赋予和晶间接触模型不同的力学参数。
[0024]步骤(4)的具体步骤包括：
[0025](4.1)在模型外侧加载单元边界施加试验侧向应力，上下加载单元施加轴向加载速度；
[0026](4.2)在动力求解模式下，将有限元和离散元设置为相同的分析时步；
[0027](4.3)开始耦合真三轴实验模拟，当应变达到指定目标值，停止试验加载，保存计算结果。
[0028]更进一步的，步骤(4.3)中连续
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非连续耦合真三轴试验是基于有限元(FEM)和离散元(DEM)相互耦合计算实现的。耦合方法的基本原理是在可能发生耦合作用的FLAC模型元素的表面上设置PFC模型组件wall，并以此作为用于耦合变量交换传递的媒介。因此离散域与连续域将通过墙单元(wall)来进行力的传递，力映射的核心原理是将球体颗粒作用于控制墙体上的力转为对应的耦合节点上等效节点力。所以墙顶点与实体单元(zone)的网格点同步运动，这些力将参与连续域的FLAC3D分析，同样连续域节点的变形也将带动墙的运动，进而将位置和速度通过墙传递到离散域中。
[0029]有益效果：与现有技术相比，本专利技术的考虑岩石真实微观特性的连续
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非连续数值模型建立方法，可以实现对含节理岩石破裂的精细化建模，在核心部分建立匹配真实岩石内部晶粒特征的矿物多晶模型，在非核心部分采用连续域耦合建模增加计算效率。能够真实模拟含节理岩石的室内真三轴实验并研究其细观破裂机制。
附图说明
[0030]图1是考虑岩石真实微观特性的连续
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非连续数值模型建立和仿真流程图
[0031]图2为花岗岩在光学显微镜扫描下的微观结构图((a)是在单偏光蓝色铸体100倍放大倍数下观察到的微观图像，(b)是在正交偏光100倍的放大倍数下观察到的微观图像)
[0032]图3为初始数值模型图
[0033]图4为在图3模型外部建立加载单元后的图
[0034]图5是基于初始模型中的颗粒构建块体单元后的图
[0035]图6是建立几何体单元后的图
[0036]图7是重新填充小尺寸颗粒后的图
[0037]图8是加入节理后的图
[0038]图9是接触施加完成后的图
[0039]图10为耦合试验加载条件示意图
具体实施方式
[0040]下面结合附图和具体实施例进一步阐明本专利技术，应理解这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落于本申本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.考虑岩石真实微观特性的连续
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非连续数值模型建立方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)通过电子显微镜扫描、薄片鉴定等技术，获取组成岩石的矿物成分，不同矿物占比和矿物晶体颗粒级配等信息；(2)根据室内试验真三轴试样大小，建立相同尺寸的节理岩石连续
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非连续真三轴数值试验模型；(3)设置接触模型，并根据接触所处位置将接触分类并施加不同接触模型，同时根据矿物性质赋予不同接触参数；(4)施加侧向应力和轴向加载速度，开展耦合真三轴实验。2.根据权利要求1所述的一种考虑岩石真实微观特性的连续
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非连续数值模型建立方法，其特征在于，所述步骤(1)通过薄片鉴定等技术，获取组成岩石的矿物成分，不同矿物占比和矿物晶体颗粒级配等信息的具体步骤包括：(1.1)通过电子显微镜扫描岩石微观结构图像和X射线衍射识别岩石矿物组成成分；(1.2)利用PCAS软件识别步骤(1.1)获取的岩石微观结构图像中晶体颗粒，并统计岩石矿物晶体颗粒级配。3.根据权利要求1所述的一种考虑岩石真实微观特性的连续
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非连续数值模型建立方法，其特征在于，所述步骤(2)接触模型施加，根据接触所处位置将接触分类并施加不同接触模型，同时根据矿物性质赋予不同接触参数的具体步骤包括：(2.1)根据真三轴试样尺寸建立FLAC3D模型，删除节理面附近一定宽度内的FLAC3D模型，根据矿物晶体颗粒级配，生成初始颗粒集；(2.2)在试样模型外部另生成六组加载单元，并在加载单元与表征岩样的实体单元(zo...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑志，唐豪，张强，陶洪辉，韩晓凤，移根旺，朱淳，黄小华，卢高明，陈鸿杰，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：