CN112287612B - 一种富水岩石冻融循环颗粒流数值模拟方法 - Google Patents

一种富水岩石冻融循环颗粒流数值模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种富水岩石冻融循环颗粒流数值模拟方法。该方法将低温条件下富水岩石简化为岩石颗粒、冰颗粒、岩‑岩粘结、冰‑冰粘结、冰‑岩粘结。通过改变冰颗粒的体积来模拟孔隙水低温冻胀过程。模拟过程中，首先建立富水岩石颗粒流试样，并给不同粘结类型赋予不同细观力学参数。然后计算当前时间点的温度、未冻水含量和冰颗粒的体积，最后改变每个冰颗粒的体积。该方法能够有效模拟孔隙水低温冻胀对岩石的破坏作用，可对富水岩石冰‑岩相互作用和冻融作用下富水岩石力学行为进行研究。

Description

一种富水岩石冻融循环颗粒流数值模拟方法
技术领域
本发明涉及岩石力学领域，尤其涉及一种模拟富水岩石冻融循环的颗粒流数值方法。
背景技术
寒区隧道富水围岩在冻融循环作用下，会发生体积膨胀、劈裂、疲劳破坏等，引起隧道衬砌混凝土开裂、漏水、挂冰，隧道底部冒水、冻胀，隧道洞门墙开裂，隧道洞口热熔滑塌等灾害。富水岩石冻融循环作用下的力学行为的研究能够为寒区隧道冻害防治提供重要理论支撑。随着计算机技术的迅猛发展，人类计算能力大幅度提高，数值模拟逐渐成为人类认识自然规律的重要手段。然而，目前人们在对岩石冻融进行数值模拟时均采用有限元法或有限差分法。这两种方法在模拟过程中无法还原孔裂隙水的低温膨胀过程，无法模拟岩石颗粒和孔裂隙水或冰的相互作用以及岩石冻胀过程中的破裂过程。与有限元法和有限差分法相比，颗粒流法在岩石破裂过程模拟中具有天然优势，并已在岩石力学领域已得到广泛应用。然而，其在岩石富水岩石冻融循环领域的应用还未见报道。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种操作简单，结果可靠，能够有效模拟富水岩石冻融循环过程的颗粒流方法。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种富水岩石冻融循环颗粒流数值模拟方法，其特征在于，该方法将低温条件下富水岩石简化为包含岩石颗粒、冰颗粒的颗粒流试样，通过改变冰颗粒的体积来模拟孔隙水低温冻胀过程；模拟过程中，计算当前时间点的当前环境温度、未冻水含量和冰颗粒的体积的目标值，最后根据当前环境温度所获得的冰颗粒的体积的目标值改变每个冰颗粒的体积；模拟岩石的冻融循环。
该方法的具体过程是：设定冻融循环过程的环境温度的变化范围及冻融循环周期，并设定冻融循环过程的所需的循环次数，包括以下步骤：
(1)建立富水岩石颗粒流试样并赋予力学参数，该试样包括岩石颗粒、冰颗粒、岩-岩粘结、冰-冰粘结和冰-岩粘结，设定环境温度随时间变化关系，进行冻融降温或升温过程；
(2)在冻融升温或降温过程中每隔一段时间计算当前时间，并根据当前时间及步骤(1)的变化关系，确定当前环境温度；
(3)根据当前环境温度确定当前环境温度下岩石内未冻水含量；
(4)根据未冻水含量计算出每个冰颗粒在当前环境温度下的体积，以该体积作为对应冰颗粒在当前环境温度下体积的目标值；将获得的每个冰颗粒的目标值对应的赋给每个冰颗粒，更新试样中所有冰颗粒在当前环境温度下的体积；
(5)计算当前温度条件下岩石试样内应力状态；
(6)当环境温度大于升温的目标温度或小于降温的目标温度后，完成一次冻融单向过程；
(7)反向进行上述过程，即之前是冻融升温过程，变成降温过程，之前是冻融降温过程，变成升温过程，重复步骤(2)-(6)，完成一次冻融；
(8)重复步骤(2)-(7)直到达到循环次数，即完成冻融循环模拟。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明方法将低温条件下富水岩石简化为岩石颗粒、冰颗粒、岩-岩粘结、冰-冰粘结、冰-岩粘结。通过改变冰颗粒的体积来模拟孔裂隙水低温冻胀过程。模拟过程中，首先建立富水岩石颗粒流试样，并给不同颗粒类型、粘结类型赋予不同细观力学参数。然后计算当前时间点的温度、未冻水含量和冰颗粒的体积，最后改变每个冰颗粒的体积。该方法采用颗粒流软件进行数值模拟，可以用来模拟岩石的冻融循环，操作简单，能够有效模拟孔裂隙水低温冻胀对岩石的破坏作用，能够还原孔裂隙冰低温膨胀过程，可对富水岩石冰-岩相互作用和冻融作用下富水岩石力学行为进行研究。
附图说明
图1为富水岩石冻胀破裂颗粒流模拟流程图；
图2为富水岩石颗粒流试样图；
图3为水岩石颗粒流试样细观图；
图4为冻融循环后岩石试样破坏模式对比图。
图中：岩石颗粒(1)；冰颗粒(2)；岩-岩粘结(3)；冰-冰粘结(4)；冰-岩粘结(5)。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
本发明一种富水岩石冻融循环颗粒流数值模拟方法，忽略岩石基质体积随温度的变化，孔裂隙冰低温作用下发生体积膨胀，岩石内未冻水含量基于当前温度计算得到，冰颗粒的体积基于未冻水含量的变化而变化；设定冻融循环过程的环境温度的变化范围及冻融循环周期，并设定冻融循环过程的所需的循环次数，包括以下步骤：
(1)建立富水岩石颗粒流试样，并给不同颗粒类型、粘结类型赋予不同细观力学参数，该试样包括岩石颗粒、冰颗粒、岩-岩粘结、冰-冰粘结和冰-岩粘结，设定环境温度随时间变化关系，进行冻融降温或升温过程；
(2)在冻融升温或降温过程中每隔一段时间计算当前时间，并根据当前时间及步骤(1)的变化关系，确定当前环境温度；
(3)根据当前环境温度确定当前环境温度下岩石内未冻水含量；
(4)根据未冻水含量计算出每个冰颗粒在当前环境温度下的体积，以该体积作为对应冰颗粒在当前环境温度下体积的目标值；将获得的每个冰颗粒的目标值对应的赋给每个冰颗粒，更新试样中所有冰颗粒在当前环境温度下的体积；
(5)计算当前温度条件下岩石试样内应力状态；
(6)当环境温度大于升温的目标温度或小于降温的目标温度后，完成一次冻融单向过程；
(7)反向进行上述过程，即之前是冻融升温过程，变成降温过程，之前是冻融降温过程，变成升温过程，重复步骤(2)-(6)，完成一次冻融；
(8)重复步骤(2)-(7)直到达到循环次数，即完成冻融循环模拟。
进一步，所述一种富水岩石冻融循环颗粒流数值模拟方法，所述步骤(1)中的富水岩石颗粒流试样包括岩石颗粒、冰颗粒、岩-岩粘结、冰-冰粘结和冰-岩粘结。所述岩石颗粒用于模拟岩石基质，冰颗粒用于模拟孔裂隙冰。所述岩-岩粘结为岩石颗粒之间的粘结，冰-冰粘结为冰颗粒之间的粘结，冰-岩粘结为冰颗粒和岩石颗粒之间的粘结。
所述步骤(3)中的未冻水含量为当前环境温度下岩石内部未冻水与总含水量的比值，可用以下公式计算：
Figure BDA0002732462110000031
wu当前环境温度下的未冻水含量，T为当前环境温度，当前环境温度一旦确定，则未冻水含量就确定了。
步骤(4)中每个冰颗粒在当前环境温度下的体积的计算方法为：
Figure BDA0002732462110000032
式中V为当前环境温度下冰颗粒的体积，V0为冰颗粒0℃条件下的体积，每个冰颗粒0℃条件下的体积是不同的，因此每个冰颗粒在当前环境温度下的体积也会存在区别，ρw为水的密度，ρi为冰的密度，T为当前环境温度。
本发明中环境温度随时间变化关系可以是线性变化，也可以按照三角函数关系进行变化等，环境温度一般设为0℃～-35℃，冻融过程考虑由0℃到-35℃的降温过程和由-35℃到0℃的升温过程，降温过程目标温度为-35℃，升温过程时目标温度为0℃。为了更满足岩石所处的自然环境温度的变化规律，可以是一年当中的温度变化规律，也可以是一天当中的温度变化规律，这里的环境温度区间可以是实际自然环境的温度变化范围为准，确定实际自然环境温度变化中，找到环境温度随时间变化的量化关系，用于本申请中当前环境温度的计算。
实施例1：
一种富水岩石冻融循环颗粒流数值模拟方法，其特征在于，参见图1，包括以下步骤：
(1)采用PFC3D颗粒流计算软件，建立富水岩石颗粒流试样，设定环境温度随时间变化关系，本实施例中设定环境温度随时间呈正弦函数变化；环境温度变化范围为0℃～-35℃，冻融循环周期为1h；
参见图2和图3，所述步骤(1)中的富水岩石颗粒流试样包括岩石颗粒1、冰颗粒2、岩-岩粘结3、冰-冰粘结4和冰-岩粘结5。
所述岩石颗粒1用于模拟岩石基质，冰颗粒2用于模拟孔裂隙冰。
所述岩-岩粘结3为岩石颗粒之间的粘结，冰-冰粘结4为冰颗粒之间的粘结，冰-岩粘结5为冰颗粒和岩石颗粒之间的粘结。
(2)先进行冻融的降温过程，模拟过程中PFC3D颗粒流计算软件自动计算当前时间，然后根据前面设定的环境温度随时间变化关系计算当前环境温度；
(3)根据当前环境温度计算当前环境温度下岩石内未冻水含量；
未冻水含量wu为当前环境温度T下岩石内部未冻水与总含水量的比值，可用以下公式计算：
Figure BDA0002732462110000041
(4)根据未冻水含量计算出每个冰颗粒在当前环境温度下的体积，以该体积作为对应冰颗粒在当前环境温度下体积的目标值；将获得的每个冰颗粒的目标值对应的赋给每个冰颗粒，更新试样中所有冰颗粒在当前环境温度下的体积；具体过程是：
首先根据未冻水含量wu按照公式(2)计算第i个冰颗粒在当前环境温度下的体积，以该体积作为该冰颗粒在当前环境温度下体积的目标值；
Figure BDA0002732462110000042
式中V为当前温度下冰颗粒的体积，V0为冰颗粒0℃条件下的体积，为未冻水含量，w为水的密度，i为冰的密度，T为当前温度。
把获得第i个冰颗粒体积的目标值赋给对应冰颗粒，更新试样中第i个冰颗粒的体积；
然后再根据公式(2)结合第i+1个冰颗粒0℃条件下的体积获得第i+1个冰颗粒体积的目标值，将该目标值赋给对应冰颗粒，更新试样中第i+1个冰颗粒的体积，直到完成最后一个冰颗粒体积的目标值计算和赋值，使得当前环境温度下所有冰颗粒的体积全部变为当前环境温度下的目标值；
(5)在上述冰颗粒体积更新完毕后，计算当前环境温度条件下岩石试样内应力状态；
(6)然后计算下一个当前时间下对应的环境温度，重复上述的步骤(3)-(5)，直到所计算的当前环境温度低于-35℃为止，完成一次冻融单向过程；
(7)反向进行上述过程，即冻融升温过程，由-35℃升温到0℃，重复步骤(2)-(6)，完成一次冻融；
(8)重复步骤(2)-(7)直到达到循环次数，即完成冻融循环模拟。
图4为冻融循环后岩石试样破坏模式对比图，本实施例中冻融循环次数设定为30次，经过多次冻融循环后试样发生表面剥落破坏，冻融循环后试样内裂隙大多集中在试样表面。这一破坏模式与室内试验试样的破坏模式相似，大体上能还原岩石试样在冻融循环过程中的破裂情况。所以本发明能够有效模拟冻融循环作用下岩石的破裂特征。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种富水岩石冻融循环颗粒流数值模拟方法，其特征在于，该方法将低温条件下富水岩石简化为包含岩石颗粒、冰颗粒的颗粒流试样，通过改变冰颗粒的体积来模拟孔隙水低温冻胀过程；模拟过程中，计算当前时间点的当前环境温度、未冻水含量和冰颗粒的体积的目标值，最后根据当前环境温度所获得的冰颗粒的体积的目标值改变每个冰颗粒的体积；模拟岩石的冻融循环；
每个冰颗粒在当前环境温度下的体积的计算公式为：
Figure FDA0003309752050000011
式中，V为当前环境温度下冰颗粒的体积，V0为冰颗粒0℃条件下的体积，ρw为水的密度，ρi为冰的密度，T为当前环境温度，wu为未冻水含量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法的具体过程是：设定冻融循环过程的环境温度的变化范围及冻融循环周期，并设定冻融循环过程的所需的循环次数，包括以下步骤：
(1)建立富水岩石颗粒流试样并赋予力学参数，该试样包括岩石颗粒、冰颗粒、岩-岩粘结、冰-冰粘结和冰-岩粘结，设定环境温度随时间变化关系，进行冻融降温或升温过程；
(2)在冻融升温或降温过程中每隔一段时间计算当前时间，并根据当前时间及步骤(1)的变化关系，确定当前环境温度；
(3)根据当前环境温度确定当前环境温度下岩石内未冻水含量；
(4)根据未冻水含量计算出每个冰颗粒在当前环境温度下的体积，以该体积作为对应冰颗粒在当前环境温度下体积的目标值；将获得的每个冰颗粒的目标值对应的赋给每个冰颗粒，更新试样中所有冰颗粒在当前环境温度下的体积；
(5)计算当前温度条件下岩石试样内应力状态；
(6)当环境温度大于升温的目标温度或小于降温的目标温度后，完成一次冻融单向过程；
(7)反向进行上述过程，即之前是冻融升温过程，变成降温过程，之前是冻融降温过程，变成升温过程，重复步骤(2)-(6)，完成一次冻融；
(8)重复步骤(2)-(7)直到达到循环次数，即完成冻融循环模拟。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述岩石颗粒用于模拟岩石基质，冰颗粒用于模拟孔裂隙冰；所述岩-岩粘结为岩石颗粒之间的粘结，冰-冰粘结为冰颗粒之间的粘结，冰-岩粘结为冰颗粒和岩石颗粒之间的粘结。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，忽略岩石基质体积随温度的变化；岩石内未冻水含量基于当前温度计算得到；冰颗粒的体积基于未冻水含量的变化而变化。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中的未冻水含量为当前环境温度下岩石内部未冻水与总含水量的比值，用以下公式计算：
Figure FDA0003309752050000021
其中，Wu为未冻水含量，T为当前环境温度。
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