CN111400949A - 岩体地下结构三维模型构建与地震响应分析方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种岩体地下结构三维模型构建与地震响应分析方法及系统，其中方法至少包括：(1)在目标区域引入人工边界，截去岩体的无限域部分，取出地下结构及其附近岩体形成有限计算域；其中，所述有限计算域包括内域和接触界面；(2)根据有限计算域区域内适用于工程岩体的动力参数，采用三轴应力状态下的工程岩体弹塑性本构模型及几何参数建立工程岩体有限元力学模型；(3)在工程岩体有限元模型中，确定地下结构在工程岩体有限元模型中的位置及力学关系实现工程岩体地下结构建模。该方法建模简单，实现岩体地下实验室结构成套建模。
Description
技术领域
本发明属于岩体地下结构的计算机辅助设计领域，涉及岩石地下工程近场地震动传播与输入机制、工程岩体动本构关系、大型岩体-地下结构成套建模方法及岩体-地下结构动力相互作用机理，具体涉及一种岩体地下结构三维模型构建与地震响应分析方法及系统。
背景技术
安全处置、管理高放废物已成为当前放射性废物管理的难点问题，且引起国际社会的广泛关注。世界各有核国家都将高放废物的安全处置看作是保证核工业可持续发展及人类健康、环境保护的重大战略任务。因此，不同工况组合下，高放废物地质处置地下实验室的地震反应特性分析成为亟待解决的问题。在高放废物地质处置地下实验室结构近场地震数值模拟及安全裕度分析涉及多介质耦合条件下的理论方法、数值方法及数据融合方法研究，研究难题在于岩体动本构关系和大型岩体地下结构的建模方法；岩体稳定性影响因素比较复杂，与传统结构稳定可靠性分析存在较大的差别。而现有岩体结构并没有结合地下结构进行成套、系统的分析，无法满足对高放废物地质处置地下实验室结构的地震反应特性分析的要求。
发明内容
本发明的目的在于提出一种岩体地下结构三维模型构建与地震响应分析方法及系统，该方法建模简单，实现大型岩体地下实验室结构成套建模与地震相关的研究。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是一种岩体地下结构的三维模型建立方法并可实现地震反应特性分析，至少包括：
(1)在目标区域引入人工边界，截去岩体的无限域部分，取出地下结构及其附近岩体形成有限计算域；其中，所述有限计算域包括内域和非线性接触界面；
(2)根据有限计算域区域内适用于工程岩体的动力参数，采用三轴应力状态下工程岩体弹塑性本构模型及几何参数建立工程岩体有限元模型；
(3)在工程岩体有限元模型中，确定地下结构在工程岩体有限元模型中的位置，并根据所述地下结构在工程岩体有限元模型中的位置及力学关系实现地下结构与工程岩体的连接，得到岩体地下结构模型。
优选地，所述步骤(1)中在目标区域引入人工边界的处理具体为：
在截取的有限计算域内建立三维计算模型，在该三维计算模型的两侧和底边均设置黏弹性人工边界，将地震动输入等效为人工边界节点力作用。
优选地，所述方法还包括
对所述工程岩体有限元模型和地下结构模型进行单元类型选择、网格划分；具体包括：
1)单元类型选择：单元选择为二阶四面体单元全积分进行模拟；
2)网格划分：对工程岩体有限元模型进行网格剖分，；并对近地下结构部件进行局部网格加密；
依据截面剖分的形式，对所述工程岩体有限元模型和地下结构模型中的各结构部件进行网格点的布置，在网格点布置时考虑每个剖分出的截面上网格点数量的均匀性，对各结构部件进行网格划分。
优选地，所述有限计算域区域内适用于工程岩体的动力参数包括反应谱拟合的地震动时程合成。
优选地，所述方法还包括：
(4)根据随机有限断层方法对工程岩体区域的旧井断裂场景地震进行模拟，人工合成具有不同频谱特性的地震波；
选取一条天然波，对岩体—地下结构进行场地地震效应分析。
优选地，所述对工程岩体区域的旧井断裂场景地震进行数值模拟包括模拟不同的工况条件，并以划分单元为单位计算不同工况下地质模型的地震反应特性；同时基于数值模拟的计算结果，对不同工况下地质模型的地震反应特性进行数值分析。
优选地，所述方法还包括：
将工程岩体有限元模型和地下结构建立的操作过程形成目标文件，并使所述目标文件能够在ABAQUS有限元分析软件中自动建模；
使用ABAQUS GUI工具包创建控键框，将所述目标文件嵌套入ABAQUS，创建参数化过程中所需要的按钮控件和文本控件，通过所述按钮控件和文本控件收集参数并发送指令，实现可视化的建模操作，使得只需要输入参数化变量即可快速生成岩体地下结构模型。
本发明另一方面公开了一种岩体地下结构三维模型构建与地震响应分析方法及系统，包括：
人工边界模块，用于在目标区域引入人工边界，使得岩体无限域有限化，取出地下实验室结构及其附近岩体形成有限计算域；
第一模型构建模块，根据几何尺寸，形成工程岩体几何模型，根据有限计算域区域内适用于工程岩体的动力参数，建立三轴应力状态下的工程岩体弹塑性本构模型；最终得到工程岩体力学计算有限元模型；
成套模型构建模块，用于在工程岩体模型中，确定地下结构在工程岩体模型中的位置，并根据所述地下结构在工程岩体模型中的位置及力学关系实现地下结构与工程岩体的连接，得到岩体地下结构模型。
优选地，所述系统还包括
网格划分模块，用于对所述工程岩体模型和地下实验室结构模型进行单元类型选择、网格划分；
基岩地震动输入模块，用于根据随机有限断层方法根据工程岩体区域的地震地质背景进行数值模拟并人工合成具有不同频谱特性的地震波；同时用于对岩体地下结构输入一条天然波；
地震效应分析模块，用于基于选取的天然波的数值模拟的计算结果，对不同工况下地质模型的地震反应特性进行数值分析。
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)本发明能够精准确岩体和地下结构的相对位置及力学关系，实现大型岩体-地下实验室结构成套建模。
(2)本发明能够快速对建立好的模型进行部件的剖分，对网格合理的布置及对模型网格的快速划分。
(3)本发明建模过程简单，大大节约了建模时间；该方法能够自动对模型进行边界条件的设置，自动建立地下结构与岩体的连接。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，还可根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明岩体地下结构的三维模型建立方法的示意图；
图2为整体时域分析模型示意图；
图3为试验例中旧井断裂组分布图；
图4为试验例区域地质模型建模选入区域范围示意图；
图5为试验例区域地质模型建模选入的断层模型示意图；
图6为试验例区域地质模型的区域内岩体地下结构体系模型；
图7为试验例区域地质模型的岩体地下结构模型透视图；
图8为试验例区域地质模型的地下试验室结构整体图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
下面参考附图对本发明岩体地下结构的三维模型建立方法的实施例进行描述。如附图1所示，所述方法如下：
(1)在目标区域引入人工边界，截去岩体的无限域部分，取出地下实验室结构及其附近岩体形成有限计算域；其中，所述有限计算域包括内域和接触界面，采用有限元法等有限域数值离散方法进行模拟，其时域整体分析模型示意如图2所示。
其中，在目标区域引入人工边界的处理具体为：在截取的有限计算域内建立三维计算模型，在该三维计算模型的两侧和底边均设置黏弹性人工边界，将地震动输入等效为人工边界节点力作用。
粘弹性人工边界等效为在人工截断边界上设置连续分布的并联弹簧～阻尼器系统。在计算模型中，两侧及底边设置一致黏弹性人工边界，用等效物理系统的弹簧系数KB和阻尼系数CB模拟黏性阻尼器和弹簧的作用，组成简单的力学模型，吸收射向人工边界的波动能量和反射波的散射，从而模拟波射出人工边界的透射，同时人工边界还模拟无限域的弹性恢复力。
(2)根据有限计算域区域内适用于工程岩体的动力参数，采用三轴应力状态下的工程岩体弹塑性本构模型及几何参数建立工程岩体有限元模型；所述有限计算域区域内适用于工程岩体的动力参数包括反应谱拟合的地震动时程合成。
该应用中拟收集、整理国内外众多学者针对中等应变率范围内的岩石类材料动力特性相关试验数据，给出应变率10-5～10-2范围内岩石类材料动力单轴抗拉、抗压强度随应变率的演化规律。并与已开展的实验进行对比。开展基于Fortran语言的材料三维显式有限元并行计算子程序模块开发。基于岩体地下结构动力计算体量巨大，本发明采用显式有限元动力时程计算方法完成计算。
(3)在工程岩体有限元模型中，确定地下结构在工程岩体有限元模型中的位置，并根据所述地下结构在工程岩体有限元模型中的位置及力学关系实现地下结构建模，得到岩体地下结构有限元计算模型。
所述方法还包括对所述工程岩体有限元模型和地下结构模型进行单元类型选择、网格划分；具体包括：
1)单元类型选择：单元选择为二阶四面体单元全积分进行模拟；
2)网格划分：对工程岩体有限元模型进行网格剖分；并对近地下结构部件进行局部网格加密；
依据截面剖分的形式，对所述工程岩体有限元模型和地下结构模型中的各结构部件进行网格点的布置，在网格点布置时考虑每个剖分出的截面上网格点数量的均匀性，对各结构部件进行网格划分。
网络划分方法中，①根据截止频率所对应的波长延伸度的变化对地质模型进行网格划分，使竖向网格最大尺寸取截止频率对应波长的1/8-1/10；
②在计算数据变化梯度较大的部位划分密集的网格，在计算数据变化梯度较小的部位划分相对稀疏的网格。
另一个示例中，所述岩体地下结构的三维模型建立方法还包括步骤：
(4)根据随机有限断层方法对工程岩体区域的旧井断裂场景地震进行模拟，人工合成具有不同频谱特性的地震波；选取一条天然波，对岩体—地下结构进行场地地震效应分析。
其中，所述对工程岩体区域的旧井断裂场景地震进行数值模拟包括模拟不同的工况条件，并以划分单元为单位计算不同工况下地质模型的地震反应特性；同时基于数值模拟的计算结果，对不同工况下地质模型的地震反应特性进行数值分析。所述地震反应特性包括地震动传播特性、动应力分布、动位移分布和参数敏感性分析。
在一些分析应用中，本发明针对地震响应分析的内容包括
(1)不同工况下，竖井各测点峰值加速度放大系数；地表峰值加速度分布空间差异；地震动传播的傅里叶谱对比；以及斜坡道各个部位的加速度放大系数对比及时、频域特性；
(2)不同工况下，地下结构所在位置动应力分布，以获得岩体地下结构中的薄弱位置；
(3)不同工况下，竖井相对位移反应，以及地下实验室结构岩体绝对位移的分布，以获得地下结构变形特性；
(4)不同工况下，模型结构加速度反应最大值，以获得地下实验室结构对不同参数特点的敏感性。
一个示例中，本发明岩体地下结构的三维模型建立方法在实际操作中通过计算机软件程序来实现高效的大数据分析计算，所述方法还包括：
将工程岩体模型和地下结构建立的操作过程形成目标文件，并使所述目标文件能够在ABAQUS有限元分析软件中自动建模；
使用ABAQUS GUI工具包创建控键框，将所述目标文件嵌套入ABAQUS，创建参数化过程中所需要的按钮控件和文本控件，通过所述按钮控件和文本控件收集参数并发送指令，实现可视化的建模操作，使得只需要输入参数化变量即可自动快速生成岩体地下结构模型。
本发明所使用的基于ABAQUS软件的数值模拟系统采用多CPU并行计算来提高求解效率；采用计算集群平台，该集群的操作系统采用64位的Redhat Enterprise LinuxAS 4操作系统，使用网络为以太网络，升级后采用Infiniband网络。在Infiniband网络中，结点、交换机、路由器之间的每个连接都是点到点的、串行的连接。由传统的共享总线结构转变为交换组织结构，在带宽上打破了PCI限制。配置V6.14版本的Abaqus有限元软件。Abaqus软件支持Threads和MPI两种模式的并行，Threads(操作系统的线程)模式只能在SMP系统上运行，而MPI(处理器间的消息传递)模式则在SMP或集群系统上均可运行。
本发明另一方面给出了一种运用上述方法的岩体地下结构的三维建模分析系统，包括：
人工边界模块，用于在目标区域引入人工边界，使得岩体无限域有限化，取出地下实验室结构及其附近岩体形成有限计算域；
第一模型构建模块，根据几何尺寸，形成工程岩体几何模型，根据有限计算域区域内适用于工程岩体的动力参数，建立三轴应力状态下的工程岩体弹塑性本构模型；最终得到工程岩体力学计算有限元模型；
成套模型构建模块，用于在工程岩体模型中，确定地下结构在工程岩体模型中的位置，并根据所述地下结构在工程岩体模型中的位置及力学关系实现地下结构与工程岩体的连接，得到岩体地下结构有限元模型。
一个改进的示例中，所述系统还包括
网格划分模块，用于对所述工程岩体模型和地下实验室结构模型进行单元类型选择、网格划分；
基岩地震动输入模块，用于根据随机有限断层方法对工程岩体区域的旧井断裂场景地震进行数值模拟，人工合成具有不同频谱特性的地震波；同时用于对岩体地下结构输入一条天然波；
地震效应分析模块，用于基于选取的天然波的数值模拟的计算结果，对不同工况下地质模型的地震反应特性进行数值分析。
试验例
下面以基于甘肃北山地区的地震学及地震地质背景，结合近场强震非均匀地震动场模拟及地下工程抗震研究的成果，示范上述工程岩体有限元模型的建立及基于该模型进行的近场地震数值模拟及安全性分析。
1.依据地震构造区的划分依据选择新场-向阳山预选地段，坐标为北纬40°41′～40°53′，东经97°23′～98°00′，该地段位于北山地震构造区上，新构造运动以大面积弱差异隆升，伴随有个别地点的弱断裂活动为特征。所选地段的旧井断裂组分布图如图3所示。
2.精细化有限元建模
通过汇总设计及地勘资料，建立了地下结构精细化数值模型。主要参考建模资料为：
(1)、《候选场址水文地质条件综合研究》-确定断层尺寸
(2)、《甘肃北山预选区钻孔BS06、BS16、BS18岩石物理力学特性研究》-岩体力学参数
(3)、《区域地质与地下结构设计图》-有限元模型精细化建模依据
(4)、《甘肃北山高放废物处置库预选区断裂活动性研究》-区域断层特性
(5)、《新场-向阳山预选地段场址地震安全分析研究》-区域地震动参数确定
首先根据提供的资料开展了区域地质模型建模，将BS32孔作为控制点，选取了3km×3km×1.5km的地质模型，选入的区域范围见图4。选入的断层为F31，F34，F29-1，F33，F32，其断层模型示意图见图5。根据提供的地质图确定了断层宽度及走向。模型边界采用无限元设置模拟半无限空间的能量开放特性。模型共约1000万单元。
由于模型复杂，项目组通过大量的几何清理，重新生成了地下结构模型。图6为模型区域内岩体地下结构体系模型；图7为岩体地下结构模型透视图；图8为地下结构整体图(带网格)。
3.本发明方法基于ABAQUS软件的数值模拟系统，采用人工边界结合区域地震动特性作为输入方法建立了地下结构精细化数值模型。在分析阶段，根据项目要求设计模拟工况，可分别对参数进行敏感性分析及对模型参数对计算结果影响研究。
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种岩体地下结构三维模型构建与地震响应分析方法及系统，至少包括下述步骤：
(1)在目标区域引入人工边界，截去岩体的无限域部分，取出地下结构及其附近岩体形成有限计算域；其中，所述有限计算域包括内域和接触界面；
(2)根据有限计算域区域内适用于工程岩体的动力参数，采用三轴应力状态下的工程岩体弹塑性本构模型及几何参数建立工程岩体有限元模型；
(3)在工程岩体有限元模型中，确定地下结构在工程岩体有限元模型中的位置，并根据所述地下结构在工程岩体有限元模型中的空间位置与力学关系实现地下结构与工程岩体的连接，得到岩体地下结构有限元模型。
2.如权利要求1所述的岩体地下结构的三维模型建立方法，其特征在于，所述步骤(1)中在目标区域引入人工边界的处理具体为：
在截取的有限计算域内建立三维计算模型，在该三维计算模型的两侧和底边均设置黏弹性人工边界，将地震动输入等效为人工边界节点力作用。
3.如权利要求1所述的岩体地下结构的三维模型建立方法，其特征在于，所述方法还包括
对所述工程岩体有限元模型和地下结构模型进行单元类型选择、网格划分；具体包括：
1)单元类型选择：单元选择为二阶四面体单元全积分进行模拟；
2)网格划分：对工程岩体有限元模型进行网格剖分；并对近地下结构部件进行局部网格加密；
依据截面剖分的形式，对所述工程岩体有限元模型和地下结构模型中的各结构部件进行网格点的布置，在网格点布置时考虑每个剖分出的截面上网格点数量的均匀性，对各结构部件进行网格划分。
4.如权利要求1所述的岩体地下结构的三维模型建立方法，其特征在于，所述有限计算域区域内适用于工程岩体的动力参数包括反应谱拟合的地震动时程合成。
5.如权利要求4所述的岩体地下结构的三维模型建立方法，其特征在于，所述方法还包括：
(4)根据随机有限断层方法对工程岩体区域的旧井断裂场景地震进行模拟，人工合成具有不同频谱特性的地震波；
选取一条天然波，对岩体—地下结构进行场地地震效应分析。
6.如权利要求5所述的岩体地下结构的三维模型建立方法，其特征在于，所述对工程岩体区域的旧井断裂场景地震进行数值模拟包括模拟不同工况条件，并以划分单元为单位计算不同工况下地质模型的地震反应特性；同时基于数值模拟的计算结果，对不同工况下地质模型的地震反应特性进行数值分析。
7.如权利要求1所述的岩体地下结构的三维模型建立方法，其特征在于，所述方法还包括：
将工程岩体有限元模型和地下结构建立的操作过程形成目标文件，并使所述目标文件能够在ABAQUS有限元分析软件中自动建模；
使用ABAQUS GUI工具包创建控键框，将所述目标文件嵌套入ABAQUS，创建参数化过程中所需要的按钮控件和文本控件，通过所述按钮控件和文本控件收集参数并发送指令，实现可视化的建模操作，使得只需要输入参数化变量即可自动快速生成岩体地下结构模型。
8.一种岩体地下结构的三维建模分析系统，其特征在于，包括：
人工边界模块，用于在目标区域引入人工边界，使得岩体无限域有限化，取出地下实验室结构及其附近岩体形成有限计算域；
第一模型构建模块，根据几何尺寸，形成工程岩体几何模型，根据有限计算域区域内适用于工程岩体的动力参数，建立三轴应力状态下的工程岩体弹塑性本构模型；最终得到工程岩体力学计算有限元模型；
成套模型构建模块，用于在工程岩体模型中，确定地下结构在工程岩体模型中的位置，并根据所述地下结构在工程岩体模型中的位置及力学关系实现地下结构与工程岩体的连接，得到岩体地下结构模型。
9.如权利要求8所述的岩体地下结构的三维建模分析系统，其特征在于，所述系统还包括
网格划分模块，用于对所述岩体模型和地下结构模型进行单元类型选择、网格划分；
基岩地震动输入模块，用于根据随机有限随机断层方法对工程岩体区域的旧井断裂场景地震进行数值模拟，人工合成具有不同频谱特性的地震波；同时用于对岩体地下结构输入一条天然波；
地震效应分析模块，用于基于选取的天然波的数值模拟的计算结果，对不同工况下地质模型的地震反应特性进行数值分析。
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