CN110851972A - 基于高斯随机场的岩土体结构随机裂隙模拟方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高斯随机场的岩土体结构随机裂隙模拟方法及装置，属于岩土裂隙结构模拟领域，利用ABAQUS将材料参数与场变量进行关联，通过UFIELD子程序传递参数，并利用Fortran语言在子程序中编写程序生成二维高斯随机场，根据随机值是否在定义的裂隙区域范围内来辨别随机介质的类别，再对不同介质赋予不同的强度值。可通过控制相关长度、旋转角度及相对面积比等参数来表征裂隙在岩土工程结构中的真实形态，操作简便，有效节约了计算时间和资源。本发明能够将ABAQUS软件子程序优点与随机场的表征高效结合，可以根据实际情况灵活控制组成裂隙的关键因素，普适性较高，实现了随机裂隙在岩土结构中的可能存在状态。
Description
技术领域
本发明属于岩土裂隙结构模拟技术领域，更具体地，涉及一种基于高斯随机场的岩土体结构随机裂隙模拟方法及装置。
背景技术
随着工程技术的不断创新发展，大型地下空间开采、高陡边坡、隧道开挖等岩土工程已取得突破进展，但施工安全问题也越来越受到重视。尤其在岩体裂隙发育等较差的地质条件下，如何预测裂隙在岩土体中可能的存在模式及其可能对工程产生的影响，进而有利于及时采取工程措施以保证建设工程的稳定和安全，是岩土工程设计人员和工程师必须面对的难题和挑战之一。
在岩土工程实践中，由于受气候变化和地质条件的影响，岩土体中通常含有一定数量的裂隙结构，对岩土体的强度和稳定性产生重要影响。裂隙的存在为岩土体局部破坏提供了优先渠道，随着变形的不断扩大，进而导致整体失效，容易造成严重的工程经济损失。裂隙在岩土体中的形态呈多样化，长度大小不一，延伸方向往往具有一定的规律性。主要有两种存在类型：干缩裂隙和原生裂隙。由于气候条件的变化，在大气影响土层范围内，受干湿循环影响而产生的干缩裂隙是在后期形成的，可以通过一定的工程措施进行改善处理。然而，在土体形成的过程中，由于地质条件的变化，产生的原生裂隙往往存在于更深层的岩土体中，裂隙分布的隐蔽性和不确定性给探测裂隙的结构造成较大的困难。相对而言，原生裂隙对工程建设稳定性的影响更为关键。经过地质沉降、降雨入渗等作用，裂隙通常被强度较低的黏土所填充，并且裂隙面的含水率明显高于两侧土体。由于技术条件所限，这一事实通常被研究人员所忽略。
为反映裂隙在结构中的真实形态，进一步评估裂隙对岩土整体结构安全的影响，数值模拟技术提供了一种有效的途径。目前，基于数字图像和CT技术识别岩土体中裂隙的形态是常见的方法之一，可以有效反映给定土体截面的裂隙结构。然而，在对含裂隙的岩土体进行稳定性分析时，模型中需要加入裂隙网络才能更接近真实状态。在现有的岩土体稳定性分析中，对裂隙存在的假定主要有以下几点：(1)大多数是在模型关键位置处人为地假定一条或者几条单一的直线状裂隙，不能保证裂隙的数量以及呈闭合状态的特性；(2)裂隙被假定为在竖直方向延伸，不能反映裂隙的倾向和随机性；(3)裂隙被简单地假定为边界条件，忽略了裂隙容易被低强度黏土填充的现实。
由于裂隙的不确定性和试验技术所限，大多避开直接对裂隙进行模拟，以上基本假定是为了方便计算而对真实情况做的一种简化，大大低估了裂隙结构对岩土体整体稳定的影响。在传统的方法中，尚未发现能够将裂隙网络与岩土体融为一体的高效生成机制，并以此模型为基础展开的稳定性分析。此外，具有不同倾角的裂隙网络对整体结构稳定的作用机理是不同的，具体表现在裂隙发展方向与滑动方向夹角的大小。
基于此，现有方法尚不能解决此类问题，亟需发展一种能够高效反映岩土体裂隙基本特性的裂隙模拟方法。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于高斯随机场的岩土体结构随机裂隙模拟方法及装置，由此解决现有裂隙模拟方法不能有效反映裂隙真实形态，进而无法有效评估裂隙对岩土整体稳定性影响的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于高斯随机场的岩土体结构随机裂隙模拟方法，包括：
(1)利用ABAQUS创建岩土体结构模型，精细化划分所述岩土体结构模型的单元网格，并将所述岩土体结构模型导出为INP文件，在所述IPN文件中将所述岩土体结构模型的材料参数与场变量进行关联，设置相应的输出场变量；
(2)利用Fortran在ABAQUS自带的UFIELD子程序自定义区域中编写程序，传递所述岩土体结构模型的材料参数；
(3)使用修正线性估计法生成二维高斯随机场，将产生的随机值作为后续判断条件的基数；
(4)通过设置所述二维高斯随机场的相关函数中的相关长度来控制裂隙的相对平均长度，其中，所述二维高斯随机场中的相关函数用来表征材料参数在空间位置上的相关性；
(5)以预设角度旋转所述二维高斯随机场，以有效反映裂隙在所述岩土体结构模型中的倾向；
(6)设置裂隙的宽度和相对面积比，定义总面积域Ω；
(7)判断所述二维高斯随机场产生的值是否在Ω区域内，若在Ω区域内，则为裂隙区域，并赋予第一固定值；若不在Ω区域内，则为岩土材料，并赋予第二固定值；
(8)在不打开ABAQUS的情况下，通过DOS界面调用UFIELD子程序，在后台进行有限元计算；
(9)打开.odb结果文件，输出场变量云图，以显示含有随机裂隙的所述岩土体结构模型。
优选地，步骤(1)包括：
启动ABAQUS软件，根据CAE界面方式创建岩土体结构模型，采用CPE4单元类型精细化自由划分网格，导出含所述岩土体结构模型各积分点坐标的INP文件，在所述INP文件中添加语句，将材料参数与场变量进行关联，并在关键字加入场变量语句，将FV设置为单元输出场变量。
优选地，步骤(2)包括：
利用ABAQUS子程序UFIELD中自带的参数进行传递，通过传入变量COORDS和定义变量FIELD共同进行参数传递，以将场变量的值在各所述积分点坐标处进行输出。
优选地，步骤(3)包括：
在UFIELD用户定义区域利用Fortran语言编写程序，使用修正线性估计法生成二维高斯随机场，将产生的随机值作为后续判断条件的基数。
优选地，步骤(5)包括：
以预设角度旋转所述二维高斯随机场的坐标系，旋转后的二维高斯随机场能够为后续反映裂隙在所述岩土体结构模型中的倾向提供前提条件。
优选地，步骤(6)包括：
利用标准正态分布的概率密度函数曲线作为基准，在产生的所述随机值中间断选取多个取值范围，取值范围的大小能够表示裂隙的相对宽度和面积比，所有取值范围构成的总面积区域为Ω。
优选地，步骤(7)包括：
判断旋转后的随机场值是否在区域范围Ω内，若是，则为裂隙区域，并将该区域重新赋予第一固定值，以表示裂隙填充黏土的强度，否则为岩土体材料，并重新赋予第二固定值，以表示材料强度。
优选地，步骤(8)包括：
在不打开ABAQUS的情况下，通过DOS窗口输入命令连接所述INP文件和所述UFIELD子程序，使得有限元计算在后台进行，以节约计算时间和资源。
优选地，步骤(9)包括：
在工作目录下找到并打开.odb结果文件，在结果输出选项中，选择FV1场变量作为输出，显示关联的材料参数值云图，得到具有空间分布特性的含随机裂隙的岩土体结构模型。
按照本发明的另一个方面，提供了一种基于高斯随机场的岩土体结构随机裂隙模拟装置，包括：
建模模块，用于利用ABAQUS创建岩土体结构模型，精细化划分所述岩土体结构模型的单元网格，并将所述岩土体结构模型导出为INP文件，在所述IPN文件中将所述岩土体结构模型的材料参数与场变量进行关联，设置相应的输出场变量；
参数传递模块，用于利用Fortran在ABAQUS自带的UFIELD子程序自定义区域中编写程序，传递所述岩土体结构模型的材料参数；
随机场生成模块，用于使用修正线性估计法生成二维高斯随机场，将产生的随机值作为后续判断条件的基数，并通过设置所述二维高斯随机场的相关函数中的相关长度来控制裂隙的相对平均长度，以预设角度旋转所述二维高斯随机场，以有效反映裂隙在所述岩土体结构模型中的倾向；
设置模块，用于设置裂隙的宽度和相对面积比，定义总面积域Ω；
判断处理模块，用于判断所述二维高斯随机场产生的值是否在Ω区域内，若在Ω区域内，则为裂隙区域，并赋予第一固定值；若不在Ω区域内，则为岩土材料，并赋予第二固定值；
计算模块，用于在不打开ABAQUS的情况下，通过DOS界面调用UFIELD子程序，在后台进行有限元计算；
输出模块，用于打开.odb结果文件，输出场变量云图，以显示含有随机裂隙的所述岩土体结构模型。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明能够将基于随机场生成的裂隙网络与计算模型高度融合，可以反演岩土结构中任意可能存在的裂隙状态，极大地提高了裂隙生成的效率，节约了计算时间和资源；
(2)本发明可以根据现场观测数据来调整裂隙在模型中的相对长度，具体通过设置随机场中相关函数的相关长度来实现，并能够适当地反映裂隙呈闭合状态的特点；
(3)本发明通过旋转产生的随机场，可以灵活反映裂隙面在模型中可能的倾向，有效反映裂隙随机分布的特点；
(4)本发明可以有效考虑裂隙面填充黏土的强度，避免了常规方法将裂隙假定为边界条件的缺陷。此外，裂隙面的宽度、与岩土体的强度比以及在整个模型中的相对面积比可以得到灵活控制，可以对任意影响因素做出有效的评估；
(5)在裂隙网络产生后，可利用有限元方法对含裂隙的模型进行数值模拟计算，更能真实地反映裂隙对岩土体结构稳定性的影响，对预测工程风险具有重要的现实指导意义。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于高斯随机场的岩土体结构随机裂隙模拟方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的一种定义裂隙宽度和相对面积比的标准正态分布概率密度曲线示意图；
图3是本发明实施例提供的一种裂隙倾角为0°的随机裂隙边坡模型和边坡失效示意图，其中，(a)表示裂隙倾角为0°的随机裂隙边坡模型，(b)表示相应的边坡破坏失效模式示意图；
图4是本发明实施例提供的一种裂隙倾角为30°的随机裂隙边坡模型和边坡失效示意图，其中，(a)表示裂隙倾角为30°的随机裂隙边坡模型，(b)表示相应的边坡破坏失效模式示意图；
图5是本发明实施例提供的一种裂隙倾角为150°的随机裂隙边坡模型和边坡失效示意图，其中，(a)表示裂隙倾角为150°的随机裂隙边坡模型，(b)表示相应的边坡破坏失效模式示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
边坡工程的安全问题是岩土工程中一直被重视的关键科学难题之一。地质条件相对较差的区域，由于边坡内部富有发育的裂隙结构，对边坡的稳定和安全造成严重的威胁。在降雨入渗条件下，由于雨水容易在裂隙面周围聚集，孔隙水压力快速上升，为边坡失稳提供了新的驱动力，增加了滑坡的风险。通过新的技术反演裂隙网络在边坡模型中的真实状态，进一步揭示含裂隙结构的边坡失稳机理，对工程建设具有重要的指导意义。对此，本发明通过一个简单的不排水裂隙边坡实施例，并结合附图，对本发明提出的技术方案做进一步阐述。
如图1所示，本发明实施例提供的一种基于高斯随机场的岩土体结构随机裂隙模拟方法，包括以下步骤：
S1：启动ABAQUS软件，利用CAE方式创建边坡模型，设置材料参数，采用CPE4四节点平面应变单元类型，精细化自由划分网格，确保裂隙与岩土材料的交界面可被清晰识别，并导出INP文件，在INP文件中，将不排水剪切强度与场变量进行关联，并加入场变量语句与子程序连接，设置FV为单元输出场变量，插入语句的具体内容如下。
1)材料参数关联语句(第一列与第三列数据需保持一致)：
2)场变量语句(在分析步STEP中的分析类型后加入)：
*FIELD,USER
3)设置输出场变量：
*Element Output,directions＝YES
FV
S2：按照ABAQUS子程序UFIELD中固定的格式进行参数传递，其中主要通过传入变量COORDS和定义变量FIELD进行参数的输入输出，子程序UFIELD具体的格式为：
S3：在子程序UFIELD用户代码定义区域利用Fortran语言编写程序，使用修正线性估计法生成二维高斯随机场G(x,y)，产生的随机值将作为后续判断条件的基数：
式(1)中：x为积分点坐标；
Ni(x)为各点处的形函数；
fi为各积分点对应的单位网格处四角点的随机值。
S4：岩土工程中，在利用随机场表征材料的空间不均匀性时，高斯随机场中的相关函数用来表征材料参数在空间位置上的相关性，具体可用相关长度进行控制。较常用的相关函数为平方指数型自相关函数。基于随机场的裂隙网络产生，可使用相关函数的相关长度来调整裂隙的相对平均长度。平方指数型自相关函数的表达形式如下：
式(2)中：ρ(x,y)为相关函数；
Δx和Δy分别为空间两点之间在x、y方向的相对距离；
θx和θy分别为在x、y方向的相关长度，在本发明实施例中，两者分别为10m和2m。
S5：为有效反映裂隙在边坡模型的整体倾向，以角度β旋转步骤(3)产生的高斯随机场，得到旋转后的随机场G(x′,y′)。主要通过坐标系的转换来实现，具体的转换公式可简述如下：
式(3)中：x、y为原坐标；
x′和y′为旋转后的坐标；
β为任意旋转角度。
S6：如附图2，利用标准正态分布的概率密度函数
作为基准，以取值范围的大小来定义裂隙的宽度和相对面积比，为了合理清晰地表征裂隙在边坡模型中的分布，通常间断选取多个取值范围Ωi(a,b)(i＝1,2,3,…,n)，其中，a、b分别为区域的上下界。将总的阴影面积区域定义为Ω，在本发明实施例中，面积比例为4.8％。
S7：判断旋转后的随机场值G(x′,y′)是否在区域范围Ω内，若是，则为裂隙的区域，并将该区域重新赋予一个新的值，表示裂隙填充黏土的强度；否则，为岩土体材料，同样重新赋予一个确定的值，以表示岩土体材料的不排水剪切强度。判断公式如下：
式(4)中：M(x′,y′)为随机介质。
其次，在UFIELD子程序中具体实现的语句为：
如果(a.GT.b)那么
FIELD(1,1)＝cu,裂隙
否则
FIELD(1,1)＝cu,岩土体
结束
S8：为提高计算效率，在不打开ABAQUS软件的情况下，将所有文件放在同一目录下，通过在DOS窗口以命令输入的方式连接INP文件和UFIELD子程序，使得有限元计算在后台进行。具体调用的格式为：
abaqus job＝job-name user＝sub-name int
其中：job-name为INP文件名；sub-name为子程序名，不需要加后缀。
S9：在工作目录下找到并打开结果文件.odb，在结果输出选项中，选择FV1场变量作为输出，显示结果云图，即可得到含随机裂隙的边坡模型，如图3～图5所示。
其中，图3是本发明实施例提供的一种裂隙倾角为0°的随机裂隙边坡模型和边坡失效示意图，图3中(a)表示裂隙倾角为0°的随机裂隙边坡模型，图3中(b)表示相应的边坡破坏失效模式示意图；
图4是本发明实施例提供的一种裂隙倾角为30°的随机裂隙边坡模型和边坡失效示意图，图4中(a)表示裂隙倾角为30°的随机裂隙边坡模型，图4中(b)表示相应的边坡破坏失效模式示意图；
图5是本发明实施例提供的一种裂隙倾角为150°的随机裂隙边坡模型和边坡失效示意图，图5中(a)表示裂隙倾角为150°的随机裂隙边坡模型，图5中(b)表示相应的边坡破坏失效模式示意图
从附图3～附图5可以看出：在对边坡进行安全稳定性分析时，若考虑随机裂隙的存在，边坡容易沿着裂隙面发生滑动，进而导致破坏模式的不确定性；同时裂隙倾角对边坡的稳定性具有显著的影响。本实施例进一步说明在岩土体结构中模拟随机裂隙存在的必要性。
在本发明的另一实施例中，还提供了一种基于高斯随机场的岩土体结构随机裂隙模拟装置，包括：
建模模块，用于利用ABAQUS创建岩土体结构模型，精细化划分所述岩土体结构模型的单元网格，并将所述岩土体结构模型导出为INP文件，在所述IPN文件中将所述岩土体结构模型的材料参数与场变量进行关联，设置相应的输出场变量；
参数传递模块，用于利用Fortran在ABAQUS自带的UFIELD子程序自定义区域中编写程序，传递所述岩土体结构模型的材料参数；
随机场生成模块，用于使用修正线性估计法生成二维高斯随机场，将产生的随机值作为后续判断条件的基数，并通过设置所述二维高斯随机场的相关函数中的相关长度来控制裂隙的相对平均长度，以预设角度旋转所述二维高斯随机场，以有效反映裂隙在所述岩土体结构模型中的倾向；
设置模块，用于设置裂隙的宽度和相对面积比，定义总面积域Ω；
判断处理模块，用于判断所述二维高斯随机场产生的值是否在Ω区域内，若在Ω区域内，则为裂隙区域，并赋予第一固定值；若不在Ω区域内，则为岩土材料，并赋予第二固定值；
计算模块，用于在不打开ABAQUS的情况下，通过DOS界面调用UFIELD子程序，在后台进行有限元计算；
输出模块，用于打开.odb结果文件，输出场变量云图，以显示含有随机裂隙的所述岩土体结构模型。
其中，各模块的具体实施方式可以参考方法实施例的描述，本发明实施例将不再复述。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于高斯随机场的岩土体结构随机裂隙模拟方法，其特征在于，包括：
(1)利用ABAQUS创建岩土体结构模型，精细化划分所述岩土体结构模型的单元网格，并将所述岩土体结构模型导出为INP文件，在所述IPN文件中将所述岩土体结构模型的材料参数与场变量进行关联，设置相应的输出场变量；
(2)利用Fortran在ABAQUS自带的UFIELD子程序自定义区域中编写程序，传递所述岩土体结构模型的材料参数；
(3)使用修正线性估计法生成二维高斯随机场，将产生的随机值作为后续判断条件的基数；
(4)通过设置所述二维高斯随机场的相关函数中的相关长度来控制裂隙的相对平均长度，其中，所述二维高斯随机场中的相关函数用来表征材料参数在空间位置上的相关性；
(5)以预设角度旋转所述二维高斯随机场，以有效反映裂隙在所述岩土体结构模型中的倾向；
(6)设置裂隙的宽度和相对面积比，定义总面积域Ω；
(7)判断所述二维高斯随机场产生的值是否在Ω区域内，若在Ω区域内，则为裂隙区域，并赋予第一固定值；若不在Ω区域内，则为岩土材料，并赋予第二固定值；
(8)在不打开ABAQUS的情况下，通过DOS界面调用UFIELD子程序，在后台进行有限元计算；
(9)打开.odb结果文件，输出场变量云图，以显示含有随机裂隙的所述岩土体结构模型。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(1)包括：
启动ABAQUS软件，根据CAE界面方式创建岩土体结构模型，采用CPE4单元类型精细化自由划分网格，导出含所述岩土体结构模型各积分点坐标的INP文件，在所述INP文件中添加语句，将材料参数与场变量进行关联，并在关键字加入场变量语句，将FV设置为单元输出场变量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)包括：
利用ABAQUS子程序UFIELD中自带的参数进行传递，通过传入变量COORDS和定义变量FIELD共同进行参数传递，以将场变量的值在各所述积分点坐标处进行输出。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)包括：
在UFIELD用户定义区域利用Fortran语言编写程序，使用修正线性估计法生成二维高斯随机场，将产生的随机值作为后续判断条件的基数。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，步骤(5)包括：
以预设角度旋转所述二维高斯随机场的坐标系，旋转后的二维高斯随机场能够为后续反映裂隙在所述岩土体结构模型中的倾向提供前提条件。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(6)包括：
利用标准正态分布的概率密度函数曲线作为基准，在产生的所述随机值中间断选取多个取值范围，取值范围的大小能够表示裂隙的相对宽度和面积比，所有取值范围构成的总面积区域为Ω。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(7)包括：
判断旋转后的随机场值是否在区域范围Ω内，若是，则为裂隙区域，并将该区域重新赋予第一固定值，以表示裂隙填充黏土的强度，否则为岩土体材料，并重新赋予第二固定值，以表示材料强度。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(8)包括：
在不打开ABAQUS的情况下，通过DOS窗口输入命令连接所述INP文件和所述UFIELD子程序，使得有限元计算在后台进行，以节约计算时间和资源。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(9)包括：
在工作目录下找到并打开.odb结果文件，在结果输出选项中，选择FV1场变量作为输出，显示关联的材料参数值云图，得到具有空间分布特性的含随机裂隙的岩土体结构模型。
10.一种基于高斯随机场的岩土体结构随机裂隙模拟装置，其特征在于，包括：
建模模块，用于利用ABAQUS创建岩土体结构模型，精细化划分所述岩土体结构模型的单元网格，并将所述岩土体结构模型导出为INP文件，在所述IPN文件中将所述岩土体结构模型的材料参数与场变量进行关联，设置相应的输出场变量；
参数传递模块，用于利用Fortran在ABAQUS自带的UFIELD子程序自定义区域中编写程序，传递所述岩土体结构模型的材料参数；
随机场生成模块，用于使用修正线性估计法生成二维高斯随机场，将产生的随机值作为后续判断条件的基数，并通过设置所述二维高斯随机场的相关函数中的相关长度来控制裂隙的相对平均长度，以预设角度旋转所述二维高斯随机场，以有效反映裂隙在所述岩土体结构模型中的倾向；
设置模块，用于设置裂隙的宽度和相对面积比，定义总面积域Ω；
判断处理模块，用于判断所述二维高斯随机场产生的值是否在Ω区域内，若在Ω区域内，则为裂隙区域，并赋予第一固定值；若不在Ω区域内，则为岩土材料，并赋予第二固定值；
计算模块，用于在不打开ABAQUS的情况下，通过DOS界面调用UFIELD子程序，在后台进行有限元计算；
输出模块，用于打开.odb结果文件，输出场变量云图，以显示含有随机裂隙的所述岩土体结构模型。
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