CN103823946B - 一种模拟带有不整合面岩体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟带有不整合面岩体的方法，本方法考虑到岩层之间的不整合面对模拟的影响，使用基于颗粒流理论的PFC3D作为模拟平台，分别模拟了地下岩体中不同岩层的接触情况，包括：整合、平行不整合、角度不整合的接触情况；其包括如下步骤：定义岩体坐标系，确定接触面走向的关键坐标点，使用MATLAB拟合这些走向曲线并得到曲线参数，使用下落法构造岩层，使用FISH根据走向曲线参数形成接触面，本发明方法能够对地下岩土体进行精确建模，用以构建夹杂不同形式接触面的岩体。

Description

一种模拟带有不整合面岩体的方法

技术领域

本发明涉及岩土工程，特别是涉及对地下岩土体进行精确建模。

背景技术

在进行地下工程可行性分析及安全性分析等问题时，多数情况下工程所在区域地质条件并不是相同的，可能包含各种地质构造现象。现今人类生活的地区主要集中在第四纪地质活动不剧烈的地区，这些地区地表一般是由沉积-剥蚀-再沉积的方式形成的，加之断层错动，使岩土层内形成了一些不同形式的接触面。接触面的上下两套岩层的岩层性质不同，接触面又使两套岩层的连接性消弱，所以接触面的存在对岩土体的模拟有着直接的影响。

目前，针对岩土体中接触面，特别是使用PFC3D模拟岩土体时的接触面如何构造的研究较少。毛先成等研究了基于TIN的地质界面三维形态分析方法与应用；张燕等研究了开采扰动下不整合面附近岩土体变形特征；于福生等对龙门山前缘关口断裂典型构造剖面的物理模拟实验及其变形主控因素进行了研究；廖杰等对珠江口盆地白云凹陷裂后异常沉降进行了数值模拟。这些模拟中岩土体中的接触面构建的并不精细，对后期模拟施工等具体问题会有难以预料的影响，所以如何构造符合实际的接触面是值得研究的问题。

从接触形式上看，岩层的接触大体上可分为整合与不整合两大类。Vail和Hardenbol等从层序地层学的角度提出，不整合是一个重要的时间间断的面，具剥蚀、消截和地表暴露性质。不整合是沉积间断-剥蚀-再沉积的集合体，沉积作用控制了不整合上覆底层的形态，构造作用控制了不整合下伏底层的特征。任何不整合都受到沉积和构造作用的双重控制，都是复合成因的。

不整合一般分为角度不整合和假整合（又称平行不整合）等类型。前者是两套地层呈一定角度接触，中间为一侵蚀面（即不整合面），说明在前一套地层沉积后，有一次大的构 造运动和海陆变化，然后地壳再次下沉又沉积了后一套地层。后者是两套地层大体呈平行接触，中间为一侵蚀面（即不整合面），说明在前一套地层沉积过程中有一次较大的地壳上升或海退运动以后地壳再次拗陷，沉积了后一套地层。识别和鉴定不整合的证据：①地层自然记录缺失的间隔证据，包括古生物自然记录的间断和地层自然记录的间断。②侵蚀的证据，包括构造不一致和地形不规则。③古陆表面的证据，包括风化面、古土壤、底砾岩等。不整合研究具有广泛意义，它是造山幕建立或构造旋回划分、岩石地层单位划分的重要依据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟带有不整合面岩体的方法，该方法使用PFC3D模拟平台，借助其颗粒流的特性，模拟岩土体内岩层及其接触面。以达到模拟整合、平行不整合、角度不整合接触情况的目的。并且本方法构建模型经验证是符合实际岩土体特征的。

本发明的方法使用PFC3D模拟平台，基于下落法的PFC3D模型构建如下：

考虑到岩土体形成过程是由于风化、沉积等作用使颗粒在竖直方向从下到上逐层堆积形成的，并经过自然压实的过程。按照该思想构建了”下落法”来构造初始应力场。PFM是通过使颗粒在竖直方向从下到上逐层堆积并压实的过程构造模型的，具体流程如下：

1）生成模型外围边界墙，设置墙的刚度；

2）设置当前岩土体的外围边界墙，设置墙的刚度；

3）在当前岩土体竖直方向投影区域内生成颗粒；

4）设置重力加速度、颗粒密度、刚度和摩擦系数等参数，并计算至所需要的堆积高度；

5）设置颗粒之间的相互作用，如n_bond、s_bond等；

6）删除不需要的颗粒，并计算至平衡；

7）判断是否完成最顶层构造，如未完成，返回至第2）步，进行上一岩土层的构造建模，如已完成，直接进行下一步；

8）调整相关参数，并计算至平衡。

针对上述接触面线型特点，本发明模拟带有不整合面岩体的方法，使用基于颗粒流理论的PFC3D作为模拟平台，分别模拟了地下岩体中不同岩层的接触情况，包括：整合、平行不整合、角度不整合的接触情况，用于构建夹杂不同形式接触面的岩体。

本发明方法的步骤如下：

1）定义岩体坐标系：定义三维坐标系，以便进行线型的拟合；

2）确定接触面走向的关键坐标点：根据接触面走向特点，包括线性、二次或三次曲线，确定能够用于拟合走向曲线的坐标点；

3）使用MATLAB拟合这些走向曲线并得到曲线参数：对于整合面可以拟合成一次曲线；对于平行不整合面，由于其线型变化没有明显规律，将线型分解为多个子线性线型，每个子线型可由一次函数表示，从而构造出适合的平行不整合面；对于角度不整合面拟合成二次或三次曲线，并配合平行不整合面的构造方法即可实现；拟合后得到的拟合曲线参数用于FISH对岩层几何形状的造型；

上述1-3步是建模的预备工作，确定了将要构建模型内部接触面及岩层的几何特征，下面的使用下落法的PFC3D模型构造是基于上述拟合曲线实现的。

4）使用下落法构造岩层：构造的岩层几何尺寸要满足使用FISH对该层进行造型的需要，如果接触面较简单，如整合，使用del range对接触面进行造型，不用再经过步骤5；

5）使用FISH根据拟合的曲线参数形成接触面：根据第3步得到的曲线参数，使用FISH在PFC3D中构造这些曲线；考虑到下落法构造模型的特点，对于某层岩体只对上层接触面进行造型，即根据曲线参数使用FISH形成该岩层上部接触面的曲线，使用语句find_ball(id)定位位置在该曲线以上的颗粒，并进行删除，以达到构造接触面的目的；

后两步为实际的PFC3D模型的构造过程，每循环一次第4步和第5步便可构造一层岩体，循环多次便可实现整个模型由下部岩层向上部岩层的构造，直至完成整个模型。

发明人指出：不同岩层的接触情况，整合接触面的特点是接触面线型是线性的，之间是平行的；平行不整合接触关系的特点是接触面线型为非线性，局部不平整；角度不整合接触关系的特点是接触面线型为二次或三次曲线，也可能夹杂着平行不整合现象。

本发明的优点：以往的岩体建模不考虑接触面的构造。模拟岩土体中的接触面构建的并不精细，对后期模拟施工等具体问题会有难以预料的影响，所以本方法通过模拟整合、平行不整合、角度不整合的接触情况，可以使所建的岩体模型在模拟实验中更加接近实际的破坏特征。

附图说明

图1 为PFM流程图。

图2 为PFM构建尾矿库第三岩土层的过程图；图2（A）是初始状态，图2（B）在第三层竖直投影区域按照设定生成颗粒并下落，图2（C）为下落稳定后的颗粒堆积状态，图2（D）根据实际的岩层形状对该层进行造型。

图3 为岩层的接触关系图；图3(a)为整合接触面，图3(b)为平行不整合接触面，图3(c)为角度不整合接触面。

图4为平行不整合及角度不整合岩层剖面坐标标定。

图5为平行不整合构造过程图。

图6为角度不整合构造过程图。

具体实施方式

使用该方法构建如图3的夹杂接触面的岩体。对于图3(a)的夹杂整合面的岩体构造较为简单使用下落法和FISH中的range可以直接构建。这里主要论述图3(b)和图3(c)的构造。两模型坐标的建立如图4所示。模型长(x)为100m，高(z)为55m，厚(y)为2m。沿长度方向每个5m进行一次关键点采样，采样点为图中虚线与接触面的交点坐标。虚线上方数字代表点号，下方数字代表实际的坐标。

表1 关键点坐标及拟合式

坐标标定后进行关键点采集并进行matlab拟合，拟合曲线包括图4左图中L1和图4右图中L1~L9。图4左图中L1和图4右图中L6属于平行不整合，将这两条平行不整合线型分解为多个子线性线型，这里将上述两线沿x方向每隔5m进行分段，每个子线型可由一次函数表示，确定这个一次函数的两点为分段的两个端点（对应点号的关键点）。图4右图中L1~L5和L7~L9为有一定规律的二次或三次曲线，可将曲线范围内的多个关键点一起进行拟合形成曲线。关键点坐标及拟合式信息总结如表1所示。

上述处理完成了第二节方法步骤的1）~3）步，接下来进行第4步。第4步就是使用下落法构造未进行接触面造型的初始岩层模型，第5步就是要对已形成的该岩层模型进行造型，形成接触面的形状，简单的说就是删除预定接触面上方的颗粒。由于下落法是由下至上的构造岩土模型，所以只关注某层岩体的上接触面的线型即可。使用FISH在程序中构建相应的函数y(x)，使用语句find_ball(id)找到某颗粒的x坐标和y坐标，y坐标与y(x)比较，如果y>y(x)那么就将该颗粒删除，其余保留，便可构建符合拟合曲线的接触面线型了。这样反复地使用步骤4和5便可由下至上逐层构建岩土模型。如图5和图6分别为图4中左图和右图的构造过程图。

在图5和图6中显示了平行不整合及角度不整合的构造过程。图5中的A、B、C、E、F中模型使用第4步下落法配合del range即可完成的，D中模型最上层接触面使用第5步完成。图6中A、C、E、G、H模型使用第4步下落法配合del range即可完成的，B、D、F中模型最上层接触面使用第5步完成。

另外，图5(G)和图6(J)表示了模型中的Contact Bonds，Contact Bonds可表示颗粒间的连接状态，在图中岩层内的颗粒是连接的（设置Contact Bonds），不同岩层之间接触面上的颗粒是不连接的（不设置Contact Bonds），这可以模拟实际岩土体中同一层岩体内的岩石完整性及不同岩层岩体之间的离散性。图5(H)和图6(I)表示了模型中的CforceChains，Cforce Chains可表示重力等的连续性和传递性等特征，从图中看出CforceChains下层密集而粗大，上层稀疏而短小，符合了重力的分布特点。通过这两个特性可以认为使用该方法构建的模型既体现出了岩体中接触面作用特性又保留了模型中重力场的合理存在，从而使构造的夹杂接触面的岩土模型更接近于实际岩土模型的应力应变特征。

Claims (3)

1.一种模拟带有不整合面岩体的方法，其特征在于，使用基于颗粒流理论的PFC3D作为模拟平台，分别模拟了地下岩体中不同岩层的接触情况，包括：整合、平行不整合、角度不整合的接触情况，用于构建夹杂不同形式接触面的岩体；所述方法包括如下步骤：

1）定义岩体坐标系：定义三维坐标系，以便进行线型的拟合；

2）确定接触面走向的关键坐标点：根据接触面走向特点，包括线性、二次或三次曲线，确定能够用于拟合走向曲线的坐标点；

3）使用MATLAB拟合这些走向曲线并得到曲线参数：对于整合面可以拟合成一次曲线；对于平行不整合面，由于其线型变化没有明显规律，将线型分解为多个子线性线型，每个子线型可由一次函数表示，从而构造出适合的平行不整合面；对于角度不整合面拟合成二次或三次曲线，并配合平行不整合面的构造方法即可实现；拟合后得到的拟合曲线参数用于FISH对岩层几何形状的造型；

4）使用下落法构造岩层：构造的岩层几何尺寸要满足使用FISH对该层进行造型的需要，如果接触面较简单，使用del range对接触面进行造型，不用再经过步骤5；

5）使用FISH根据拟合的曲线参数形成接触面：根据第3步得到的曲线参数，使用FISH在PFC3D中构造这些曲线；考虑到下落法构造模型的特点，对于某层岩体只对上层接触面进行造型，即根据曲线参数使用FISH形成该岩层上部接触面的曲线，使用语句find_ball(id)定位位置在该曲线以上的颗粒，并进行删除，以达到构造接触面的目的；

后两步为实际的PFC3D模型的构造过程，每循环一次第4步和第5步便可构造一层岩体，循环多次便可实现整个模型由下部岩层向上部岩层的构造，直至完成整个模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不同岩层的接触情况，整合接触面的特点是接触面线型是线性的，之间是平行的；平行不整合接触关系的特点是接触面线型为非线性，局部不平整；角度不整合接触关系的特点是接触面线型为二次或三次曲线，也可能夹杂着平行不整合现象。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于下落法构造岩层具体流程如下：

生成模型外围边界墙，设置墙的刚度；

设置当前岩土体的外围边界墙，设置墙的刚度；

在当前岩土体竖直方向投影区域内生成颗粒；

设置参数包含重力加速度、颗粒密度、刚度和摩擦系数，并计算至所需要的堆积高度；

设置颗粒之间的相互作用，包括n_bond、s_bond；

删除不需要的颗粒，并计算至平衡；

判断是否完成最顶层构造，如未完成，返回至第2）步，进行上一岩土层的构造建模，如已完成，直接进行下一步；

调整相关参数，并计算至平衡。