CN112098273B - 一种基于近场动力学的渗透注浆过程模拟方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于近场动力学的渗透注浆过程模拟方法及系统，包括：根据岩体材料和岩体体积将渗透注浆模拟模型离散为多个物质点，将渗透注浆过程划分为多个注浆时间步；基于近场动力学构建流‑固耦合循环模型，在注浆时间步内，采用循环迭代求解方法得到物质点的位移和浆液压力，直至求解结果满足流固耦合平衡条件；将当前注浆时间步的浆液渗透半径作为下一注浆时间步的初始条件，并将根据浆液留存量得到的物质点强度和物质点渗透率加入至下一注浆时间步的渗透注浆模拟过程中，直至完成渗透注浆过程，输出全过程模拟渗透注浆。考虑时间‑空间双变特性与岩体加固效应，实现岩体渗透注浆加固过程的有效模拟。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，特别是涉及一种基于近场动力学的渗透注浆过程模拟方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
注浆是用适当的方法将某些能固化的浆液注入岩土体中，通过置换、充填、挤压等方式改善工程岩体物理力学性质的方法。渗透注浆是指在压力作用下将浆液以渗入方式注入岩土体中的一种方法，在砂性土和裂隙岩体中较为适用。目前注浆大多依靠工程经验，工程设计缺乏严密的理论依据，操作过程中缺少系统全面的控制方法，致使出现注浆材料浪费、治理效率低、围岩加固效果差等问题；因此，开展注浆过程模拟可为注浆工程设计提供科学依据和理论参考。
近场动力学(Peridynamics)作为一种新兴的数值计算理论，不仅在模拟固体材料变形破坏方面具有独特的优势，在流体渗流模拟方面也具有较高的求解能力。发明人发现，由于涉及到浆液粘度随时间-空间双变的问题，目前常用数值方法难以准确描述浆液的时空演化特征；而近场动力学方法目前虽然在材料损伤断裂、地下水渗流等方面取得了较好的研究基础，但是在岩土工程领域应用较少，尚缺乏适用于岩土工程注浆加固模拟的理论方法和计算策略。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于近场动力学的渗透注浆过程模拟方法及系统，通过将近场动力学在模拟固体材料变形与流体渗流两方面的优势相结合，构建流-固耦合循环模型，在浆液扩散过程中，考虑时间-空间双变特性与岩体加固效应，实现岩体渗透注浆加固过程的有效模拟。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种基于近场动力学的渗透注浆过程模拟方法，包括：
根据岩体材料和岩体体积将渗透注浆模拟模型离散为多个物质点，将渗透注浆过程划分为多个注浆时间步；
基于近场动力学构建流-固耦合循环模型，在注浆时间步内，采用循环迭代求解方法得到物质点的位移和浆液压力，直至求解结果满足流固耦合平衡条件；
将当前注浆时间步的浆液渗透半径作为下一注浆时间步的初始条件，并将根据浆液留存量得到的物质点强度和物质点渗透率加入至下一注浆时间步的渗透注浆模拟过程中，直至完成渗透注浆过程，输出全过程模拟渗透注浆。
第二方面，本发明提供一种基于近场动力学的渗透注浆过程模拟系统，包括：
离散模块，用于根据岩体材料和岩体体积将渗透注浆模拟模型离散为多个物质点，将渗透注浆过程划分为多个注浆时间步；
求解模块，用于基于近场动力学构建流-固耦合循环模型，在注浆时间步内，采用循环迭代求解方法得到物质点的位移和浆液压力，直至求解结果满足流固耦合平衡条件；
循环模块，用于将当前注浆时间步的浆液渗透半径作为下一注浆时间步的初始条件，并将根据浆液留存量得到的物质点强度和物质点渗透率加入至下一注浆时间步的渗透注浆模拟过程中，直至完成渗透注浆过程，输出全过程模拟渗透注浆。
第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成第一方面所述的方法。
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一方面所述的方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过将近场动力学在模拟固体材料变形与流体渗流两方面的优势相结合，构建近场动力学流-固耦合循环模型，提出分序注浆扩展加固过程模拟方法，实现注浆过程中浆液粘度时间-空间双变特性与围岩强度变化规律的有效模拟；
本发明是一种浆液扩散过程中考虑粘度时空演化特征的分序扩散加固模拟方法，实现了岩体渗透注浆加固过程的有效模拟，避免了传统方法利用多种数值计算方法耦合求解过程中，数据交换导致的时间成本较高、操作困难等问题。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例1提供的渗透注浆加固过程模拟的近场动力学方法计算流程图；
图2是本发明实施例1提供的注浆过程中岩体强度变化规律示意图；
图3是本发明实施例1提供的注浆过程中岩体渗流率变化规律示意图；
图4是本发明实施例1提供的注浆过程中浆液粘度变化规律示意图；
图5是本发明实施例1提供的渗透注浆加固过程中浆液粘度时间-空间离散方法示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明通过将近场动力学在模拟固体材料变形与流体渗流两方面的优势相结合，提出一种浆液扩散过程中考虑粘度时空演化特征的分序扩散加固模拟方法，构建了近场动力学流-固耦合迭代求解模型，能够实现注浆过程中，浆液粘度时间-空间双变特性与岩体加固效应的有效模拟；
本发明提供的一种基于近场动力学的渗透注浆加固过程模拟方法，具体包括：根据岩体材料和岩体体积将渗透注浆模拟模型离散为多个物质点，将渗透注浆过程划分为多个注浆时间步；基于近场动力学构建流-固耦合循环模型，在注浆时间步内，采用循环迭代求解方法得到物质点的位移和浆液压力，直至求解结果满足流固耦合平衡条件；将当前注浆时间步的浆液渗透半径作为下一注浆时间步的初始条件，并将根据浆液留存量得到的物质点强度和物质点渗透率加入至下一注浆时间步的渗透注浆模拟过程中，直至完成渗透注浆过程，输出全过程模拟渗透注浆。实现浆液粘度空间离散化，实现分序注浆扩散加固过程的近场动力学模拟。
下面结合具体实施例来详细说明本发明所提供的基于近场动力学的渗透注浆加固过程模拟方法：
实施例1
如图1所示，本实施例提供的一种基于近场动力学的渗透注浆加固过程模拟方法，具体包括：
S1：初始化基于近场动力学构建的渗透注浆模拟模型的相关参数；
具体地，将渗透注浆模拟模型离散为一定数量带有岩体材料性质和岩体体积信息的物质点，选择合适的邻域范围δ，构建所有物质点的邻域矩阵、坐标矩阵和材料参数矩阵；根据模型边界条件、初始条件和约束条件，初始化模型荷载矩阵、压力矩阵和位移矩阵。
优选地，所述的物质点是指代表一定空间范围内岩体材料体积和岩体质量的节点；节点本身不占有空间体积，仅将其代表的空间范围内的材料体积和质量记录于材料参数矩阵中，因此每一个物质点均可看作是一定空间范围内材料物理力学性质的均值。
优选地，所述的邻域范围是指核心物质点和与其产生相互作用力的其它物质点的最大距离；在近场动力学中，核心物质点仅与其邻域内其它物质点产生相互作用，称之为键，而与其邻域外的其它物质点不产生相互作用。
S2：确定当时注浆时间步Tn；
具体地，将注浆全过程按照时间序列离散为n个注浆时间步，即T0,T1,T2,T3,…,Tn-1,Tn，假设在每个注浆时间步中浆液粘度保持不变，在整个注浆过程中浆液粘度是随时间变化的函数；
为了提高模拟精度，选择较小的注浆时间步长(ΔT＝Tn-Tn-1)，在每一个注浆时间步中，均采用流-固耦合循环迭代方法进行求解，具体包括步骤S3-S12。
S3：基于近场动力学构建构建岩体注浆加固过程的流-固耦合循环模型，选择合适的迭代注浆时间步长Δt，采用循环迭代求解方法进行求解，如步骤S4-S10所述。
优选地，所述的迭代时间步长Δt是指用于显式求解近场动力学固体变形与流体渗流的时间梯度，通常情况下为了保证计算收敛性，需要取一个较小的值。
优选地，所述的循环迭代求解方法是指利用迭代求解的方式分别得到固体力学计算结果和流体力学计算结果，并且在每一个迭代时间步中，通过将固体力学计算与流体力学计算循环进行，实现岩体注浆加固过程的流-固耦合计算。
S4：计算物质点的近场动力学合力f；
具体地，通过将物质点邻域范围内所有相互作用力进行积分，得到每一个物质点的近场动力学合力Fi。
优选地，所述相互作用力是指物质点之间通过键所传递的力学信息，通常情况下可以表示成键伸长率的函数，即fij＝f(s)；其中，fij是指物质点i与j之间的相互作用力，s是物质点i与j之间键的伸长率。
优选地，所述积分是指通过将物质点所有的相互作用力进行叠加，得到每一个物质点所受到的其他物质点产生的相互作用的合力，即
其中Vj为物质点j的体积，Hi是物质点i的邻域范围。
S5：计算物质点的强度σc和渗透率k变化情况；
具体地，根据步骤S8中，物质点浆液留存量q或者初始条件，得到当前时刻物质点的强度和渗透率变化情况。
优选地，所述强度是指注浆过程中，由于浆液注入岩体中的孔隙、裂隙等微观结构中或者挤密岩体从而提高了岩体的强度；通常情况下，物质点强度可以表示成物质点浆液留存量q的函数，即σc＝f(q)；如图2所示，随着岩体强度的升高，其抗压能力明显升高，能够抵抗更大的外部荷载。
优选地，所述渗透率是指随着注浆过程的进行，松散岩土体的渗流率会随着浆液的不断渗透而逐渐降低，如图3所示，物质点渗透率可以表示成浆液留存量q的函数，即k＝f(q)，在求解过程中需要不断更新。
S6：计算岩体的变形；
具体地，根据步骤S4所得到的物质点近场动力学合力和模型边界条件，构建近场动力学运动方程，利用显式求解方法，得到物质点的加速度；继而根据前后差分公式，分别得到物质点的速度和位移，实现岩体材料固体变形的模拟。
优选地，所述近场动力学运动方程为积分形成的牛顿第二定律表达式，即
其中ρr为岩体的质量密度，
为物质点i的加速度，bi为物质点的体力。
优选地，所述显式求解是指在近场动力学离散模型的基础上，将近场动力学运动方程中的积分等价为求和的形式，即
其中n代表第n个迭代时间步长tn，直接求解物质点的加速度
继而利用前后差分格式，得到物质点的速度
和位移
S7：计算浆液粘度μ；
具体地，根据注浆过程中浆液的物理力学特性，构建浆液粘度随时间的变化函数；同时，根据步骤S10得到的当前时刻浆液渗透半径Rn，确定浆液分区扩散边界，得到当前时刻不同位置浆液粘度初值条件。
优选地，所述浆液粘度具有时变特性，即浆液粘度为时间的函数μ＝f(t)，如图4所示，因此需要根据浆液材料特性在迭代求解过程中不断更新该参数。
优选地，所述浆液渗透半径是指在当前注浆过程模拟中，每一次注浆时间步完成后，浆液渗透扩散距离的大小；由于浆液粘度具有时间-空间双变特征，因为需要根据当前注浆时间步Tn确定下一个注浆时间步Tn+1浆液粘度在空间分布的初值条件。
优选地，如图5所示，所述的浆液粘度初值条件是指在下一注浆时间步Tn+1中，将每一浆液渗透半径(R0,R1,R2,…,Rn)作为浆液粘度的初始值(μ0,μ1,μ2,…,μn)带入新的循环计算中，实现浆液粘度的空间离散特性表征。
S8：计算物质点浆液流量变化量；
具体地，通过将物质点视为储存流体的介质，而键作为传递流体的通道，据此可以构建非局部作用形式的近场动力学质量流量方程
以及表征浆液流动过程的近场动力学物质守恒方程
其中，ρf为浆液质量密度，μf为岩体孔隙率，Φ为物质点水头，A为渗流横截面积，R为源汇项。
S9：计算浆液压力变化情况；
具体地，根据步骤S8所得到的浆液流量变化量，利用显式求解方法得到物质点水头变化情况，得到物质点的浆液压力P。
S10：判断是否达到流-固耦合平衡条件或者预计时间步长；
具体地，通过对模型变形和渗流进行截断误差分析，判断是否达到流-固耦合迭代求解平衡条件；或者对迭代计算时间步长累加判断是否达到预计的时间步长，如果未达到平衡条件或者预计时间步长，则返回步骤S4进行新一轮迭代求解；如果达到平衡条件或者预计时间步长，则进行下一注浆时间步的求解。
S11：计算当前时刻浆液渗透半径Rn；
具体地，随着浆液的持续注入，在每一个注浆时间步Tn结束后，注浆将扩散到一定距离Rn；由于浆液具有时间-空间双变特征，假设在每一个注浆时间步中，浆液粘度是不变的，而在下一个注浆时间步Tn+1中，前述浆液渗透半径将作为新的粘度初值条件代入新的注浆时间步中继续求解。
S12：判断是否达到预定计算时间Tend，如果未达到预定计算时间，则重复步骤S3-S11，直到完成注浆过程，输出全过程模拟渗透注浆。
本实施例方法利用近场动力学非局部作用思想，分别构建固体变形与浆液渗流的基本控制方程；利用循环迭代求解方法，依次求解物质点位移和浆液压力；根据浆液留存量构建岩体强度与渗透率的变化函数，并代入流-固耦合循环迭代计算中；通过将当前注浆时间浆液扩展距离作为下一注浆时间步的初值条件，实现浆液粘度空间离散化；实现分序注浆扩散加固过程的近场动力学模拟。
实施例2
本实施例提供一种基于近场动力学的渗透注浆过程模拟系统，包括：
离散模块，用于根据岩体材料和岩体体积将渗透注浆模拟模型离散为多个物质点，将渗透注浆过程划分为多个注浆时间步；
求解模块，用于基于近场动力学构建流-固耦合循环模型，在注浆时间步内，采用循环迭代求解方法得到物质点的位移和浆液压力，直至求解结果满足流固耦合平衡条件；
循环模块，用于将当前注浆时间步的浆液渗透半径作为下一注浆时间步的初始条件，并将根据浆液留存量得到的物质点强度和物质点渗透率加入至下一注浆时间步的渗透注浆模拟过程中，直至完成渗透注浆过程，输出全过程模拟渗透注浆。
此处需要说明的是，上述模块对应于实施例1中所述的方法，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例1所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。
在更多实施例中，还提供：
一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1中所述的方法。为了简洁，在此不再赘述。
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1中所述的方法。
实施例1中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (9)
1.一种基于近场动力学的渗透注浆过程模拟方法，其特征在于，包括：
根据岩体材料和岩体体积将渗透注浆模拟模型离散为多个物质点，将渗透注浆过程划分为多个注浆时间步；
通过将物质点模拟为储存流体的介质，键作为传递流体的通道，构建非局部作用形式的近场动力学质量流量方程，和表征浆液流动过程的近场动力学物质守恒方程，通过物质点浆液流量变化量采用显示求解方法得到物质点的浆液压力；
基于近场动力学构建流-固耦合循环模型，在注浆时间步内，采用循环迭代求解方法得到物质点的位移和浆液压力，直至求解结果满足流固耦合平衡条件；
将当前注浆时间步的浆液渗透半径作为下一注浆时间步的初始条件，并将根据浆液留存量得到的物质点强度和物质点渗透率加入至下一注浆时间步的渗透注浆模拟过程中，直至完成渗透注浆过程，输出全过程模拟渗透注浆。
2.如权利要求1所述的一种基于近场动力学的渗透注浆过程模拟方法，其特征在于，通过将物质点邻域范围内的相互作用力进行积分，得到物质点的近场动力学合力；
所述相互作用力是指物质点之间通过键所传递的力学信息，为键伸长率的函数；所述积分是指通过将物质点所有的相互作用力进行叠加，得到每一个物质点所受到的其他物质点产生的相互作用的合力。
3.如权利要求2所述的一种基于近场动力学的渗透注浆过程模拟方法，其特征在于，根据物质点的近场动力学合力和边界条件，构建近场动力学运动方程，得到物质点的加速度，根据前后差分公式，分别得到物质点的速度和位移，实现岩体材料固体变形的模拟。
4.如权利要求1所述的一种基于近场动力学的渗透注浆过程模拟方法，其特征在于，所述物质点为代表一定空间范围内岩体体积和岩体质量的节点，选择物质点的邻域范围，构建物质点的邻域矩阵；所述邻域范围是指物质点和与其产生相互作用力的其它物质点的最大距离。
5.如权利要求1所述的一种基于近场动力学的渗透注浆过程模拟方法，其特征在于，根据物质点的浆液留存量计算物质点的强度和渗透率变化情况；
所述物质点的强度与浆液留存量呈正比关系，所述物质点渗透率与浆液留存量呈反比关系。
6.如权利要求1所述的一种基于近场动力学的渗透注浆过程模拟方法，其特征在于，在一个注浆时间步内，浆液粘度不变，根据前一个注浆时间步的浆液渗透半径计算下一个注浆时间步的浆液粘度初始值。
7.一种基于近场动力学的渗透注浆过程模拟系统，其特征在于，包括：
离散模块，用于根据岩体材料和岩体体积将渗透注浆模拟模型离散为多个物质点，将渗透注浆过程划分为多个注浆时间步；
求解模块，用于基于近场动力学构建流-固耦合循环模型，在注浆时间步内，采用循环迭代求解方法得到物质点的位移和浆液压力，直至求解结果满足流固耦合平衡条件；
通过将物质点模拟为储存流体的介质，键作为传递流体的通道，构建非局部作用形式的近场动力学质量流量方程，和表征浆液流动过程的近场动力学物质守恒方程，通过物质点浆液流量变化量采用显示求解方法得到物质点的浆液压力；
循环模块，用于将当前注浆时间步的浆液渗透半径作为下一注浆时间步的初始条件，并将根据浆液留存量得到的物质点强度和物质点渗透率加入至下一注浆时间步的渗透注浆模拟过程中，直至完成渗透注浆过程，输出全过程模拟渗透注浆。
8.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-6任一项所述的方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-6任一项所述的方法。
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