CN113343460A - 一种恒定荷载下岩石结构面剪切连续-非连续数值方法 - Google Patents

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CN113343460A CN202110632286.5A CN202110632286A CN113343460A CN 113343460 A CN113343460 A CN 113343460A CN 202110632286 A CN202110632286 A CN 202110632286A CN 113343460 A CN113343460 A CN 113343460A
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郭宇航
高阳
周辉
徐洁
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Abstract

本发明涉及一种恒定荷载下岩石结构面剪切连续‑非连续数值方法，包括以下步骤：通过3D扫描技术获得岩石结构面上下盘的形貌特征，提取其中控制型二维形貌；基于所述控制型二维形貌建立岩石结构面剪切力学模型；利用连续‑非连续数值方法开展所述岩石结构面剪切力学模型的剪切试验数值模拟，从宏细观角度揭示岩石结构面的破坏机制。该方法为准确认识并科学掌握地下工程中结构面力学响应及破裂机制奠定了坚实基础。

Description

一种恒定荷载下岩石结构面剪切连续-非连续数值方法
技术领域
本发明涉及岩石力学与工程技术领域，特别涉及一种恒定荷载下岩石结构面剪切连续-非连续数值方法。
背景技术
岩土工程广泛发育有各级岩石结构面，严重影响工程安全。剪切试验是最常用于评估结构面力学性能的方法，由于结构面特征及试验限制，剪切过程中难以获取裂纹损伤演化特征、应力及位移场特征，限制了对于岩石结构面破坏机制的认识。
数值模拟方法也被用于认识结构面破坏机制，而连续方法难以模拟结构面破坏过程中裂纹扩展演化，非连续方法不能很好地模拟从连续到非连续的演化过程。连续-非连续数值模拟方法集成了上述两种方法的优点，能够很好的克服上述缺点，揭示裂纹损伤演化特征、应力及位移场特征。
然而目前尚未见有关于二维岩石结构面剪切试验连续-非连续数值方法。
发明内容
本申请提供了一种恒定荷载下岩石结构面剪切连续-非连续数值方法，解决或部分解决了现有技术缺乏关于二维岩石结构面剪切试验连续-非连续数值方法的技术问题；实现了提供一种恒定荷载下岩石结构面剪切连续-非连续数值方法。
本申请所提供的一种恒定荷载下岩石结构面剪切连续-非连续数值方法，包括以下步骤：
步骤一：通过3D扫描技术获得岩石结构面上下盘的形貌特征，提取其中控制型二维形貌；
步骤二：基于所述控制型二维形貌建立岩石结构面剪切力学模型；
步骤三：利用连续-非连续数值方法开展所述岩石结构面剪切力学模型的剪切试验数值模拟，从宏细观角度揭示岩石结构面的破坏机制。
作为优选，所述步骤一包括：
对结构面试样的上下盘结构面进行3D扫描，获得所述结构面试样的上下盘结构面点云数据；
对所述上下盘结构面点云数据进行均匀化处理，沿所述结构面试样的剪切方向提取二维轮廓线，分别计算各条二维轮廓线的粗糙度以及所述上下盘结构面对应两条轮廓线的匹配程度；
综合所述粗糙度及所述匹配程度指标，利用岩石结构面强度公式预估各所述轮廓线的强度，选取强度最大的轮廓线作为所述控制型二维形貌。
作为优选，所述结构面试样的上下盘结构面通过现场采集、劈裂或剪切获得；
沿所述结构面试样的剪切方向间隔0.5mm提取所述二维轮廓线；
通过粗糙度表征参数来确定所述二维轮廓线的粗糙度。
作为优选，所述粗糙度表征参数包括：Z2、SF、RMS、SD、RP，其中，
所述Z2表征轮廓线的平均起伏角度与起伏高度；
所述SF表征轮廓线结构特征；
所述RMS表征轮廓线的起伏幅度，既轮廓线各数据点点高度；
所述SD表征起伏角标准差；
所述RP表征轮廓线的线粗糙度度量参数。
作为优选，所述步骤二包括：
将所述控制型二维形貌导入图形处理软件，生成上下盘结构面；
根据所述上下盘结构面的尺寸，生成上下盘试样，并在所述上下盘结构面的两侧生成局部加密区域；
在所述上下盘试样的两端生成剪切盒后，获得所述岩石结构面剪切力学模型。
作为优选，所述步骤三包括：
将所述岩石结构面剪切力学模型导入到连续-非连续数值模拟软件中；
对所述岩石结构面剪切力学模型赋予细观参数、施加边界条件及确定各监测变量监测位置；
对所述岩石结构面剪切力学模型开展连续-非连续计算，数值计算完成后，详细分析结构面剪切过程中裂纹扩展和应力、位移场演化特征，从宏细观角度揭示其破坏机制。
作为优选，所述岩石结构面剪切力学模型导入到连续-非连续数值模拟软件时，
采用三角形单元划分试样及剪切盒区域，其中任意两个所述三角形单元接触边采用无厚度的四边形裂纹单元连接；所述三角形单元为理想线弹性单元，所述四边形裂纹单元可产生拉伸、剪切破坏及组合破坏，分别遵循最大拉应力准则和摩尔库伦强度准则。
作为优选，对所述岩石结构面剪切力学模型赋予细观参数，包括：所述试样及剪切盒的阀值取10倍弹性模量；所述剪切盒直接采用钢材的弹性及强度参数；所述试样的参数是在单轴、三轴及劈裂试验参数基础上通过试错法校核，当所述试样破坏特征、典型曲线与试验结果基本一致时即完成试验基本参数校核，获得各细观参数；结构面参数是界面摩擦系数及阀值，通过与平面试样剪切结果对比获得；
对所述岩石结构面剪切力学模型施加边界条件，包括：试样顶部剪切盒上部施加恒定荷载边界条件，试样顶部剪切盒右侧施加固定约束边界条件，仅限制剪切方向位移，试样底部剪切盒左侧施加恒定位移边界条件，试样底部剪切盒下侧施加固定约束边界条件，仅限制垂直于剪切方向位移；
对所述岩石结构面剪切力学模型确定各监测变量监测位置，包括：采用底部剪切盒左侧端面水平位移作为剪切位移，顶部剪切盒上部垂直位移作为法向位移，剪切力通过顶部剪切盒右侧端面监测，为各监测点合力。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请的恒定荷载下岩石结构面剪切连续-非连续数值方法，主要包括三部分，首先，通过3D扫描技术获得岩石结构面两盘的形貌特征，提取其中控制型二维形貌；然后，基于控制型二维形貌建立岩石结构面剪切力学模型；最后利用连续-非连续(FDEM)数值方法开展相关的剪切试验数值模拟，从宏细观角度揭示其破坏机制。该方法为准确认识并科学掌握地下工程中结构面力学响应及破裂机制奠定了坚实基础，且本法简单，高效快捷，实用效果好，具有广泛的应用性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的恒定荷载下岩石结构面剪切连续-非连续数值方法的流程示意图；
图2为本申请实施例提供的数值化处理后的岩石结构面形貌示意图；
图3为本申请实施例提供的岩石结构面连续-非连续数值模型示意图；
图4为本申请实施例提供的点云数据沿着剪切方向提取的部分二维轮廓线示意图；
图5为本申请实施例提供的剪切试验数值模拟与试验对比的结构面剪切应力-位移演化特征示意图；
图6为本申请实施例提供的剪切试验数值模拟的结构面损伤演化过程示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
参见附图1，本申请所提供的恒定荷载下岩石结构面剪切连续-非连续数值方法，包括以下步骤：
S1：通过3D扫描技术获得岩石结构面两盘的形貌特征(参见附图2)，提取其中控制型二维形貌；
S2：基于控制型二维形貌建立岩石结构面剪切力学模型(参见附图3)；
S3：利用连续-非连续数值方法开展相关的剪切试验数值模拟，从宏细观角度揭示其破坏机制。
步骤S1具体为：
S101：对结构面试样两盘(现场采集、劈裂或剪切获得)进行3D扫描，获得上下两盘结构面点云数据。
S102：通过matlab均匀化处理点云数据，沿着剪切方向间隔0.5mm提取二维轮廓线(参见附图4)，分别计算各条轮廓线的粗糙度JRC(可通过Z2、SF、RMS等计算JRC，见表1)以及结构面上下两盘对应两条轮廓线的匹配程度。
表1轮廓线计算参数选择(粗糙度表征，其中，L为二维轮廓线沿剪切方向投影长度；xi，zi分别为二维轮廓线上第i点横、纵坐标；N为总取样点数)
Figure BDA0003104135170000061
S103：综合粗糙度及匹配程度指标，利用岩石结构面JRC-JMC强度公式预估各轮廓线强度，选取强度最大的轮廓线作为控制型二维形貌；其中，岩石结构面JRC-JMC强度公式为：
f＝entan[JRC·JMClog10(JCS/en)+hr]，式中，
f为峰值剪切强度；en为正压力；JRC为节理粗糙系数；JMC为节理吻合系数；JCS为岩样的抗压强度；hr为残余摩擦角。
步骤S2具体为：
S201：将控制型二维形貌导入CAD软件，生成上下盘结构面。
S202：根据结构面尺寸，生成上下盘试样，并在结构面两侧生成局部加密区域。
S203：在试样两端生成剪切盒。
步骤S3具体为：
S301：将生成的CAD图形导入到连续-非连续数值模拟软件中，采用三角形单元划分试样及剪切盒区域，其中任意两个三角形单元接触边采用无厚度的四边形裂纹单元连接；对于加密区域，采用较小的网格，加密区域网格增大，减小计算时间，增大计算效率；其中三角形单元为理想线弹性单元，裂纹单元可产生拉伸、剪切破坏及组合破坏，分别遵循最大拉应力准则和摩尔库伦强度准则。
S302：赋予细观参数，具体细观参数见表2，试样及剪切盒阀值取10倍弹性模量，剪切盒直接采用钢材的弹性及强度参数，而岩石试样的参数是在单轴、三轴及劈裂试验参数基础上通过试错法校核，当试样破坏特征、典型曲线与试验结果基本一致时即完成试验基本参数校核，获得各细观参数。结构面参数主要是界面摩擦系数及阀值，通过与平面试样剪切结果对比获得。
表2砂岩结构面剪切连续-非连续数值模拟的细观参数
Figure BDA0003104135170000071
Figure BDA0003104135170000081
S303：施加边界条件，试样顶部剪切盒上部施加恒定荷载边界条件，试样顶部剪切盒右侧施加固定约束边界条件，仅限制剪切方向位移，试样底部剪切盒左侧施加恒定位移边界条件，试样底部剪切盒下侧施加固定约束边界条件，仅限制垂直于剪切方向位移。
S304：确定各监测变量监测位置，本试验采用底部剪切盒左侧端面水平位移作为剪切位移，顶部剪切盒上部垂直位移作为法向位移，剪切力通过顶部剪切盒右侧端面监测，为各监测点合力。
S305：开展连续-非连续计算，数值计算完成后，对比分析试验及模拟获得的结构面剪切应力-位移演化特征(参见附图5)，由图5可知，本申请涉及的二维岩石结构面剪切试验连续-非连续数值方法能够很好地模拟结构面剪切特征，在此基础上，进一步分析结构面剪切过程中裂纹扩展、位移场及结构面损伤演化过程(参见附图6，法向应力5MPa)，从宏细观角度揭示其破坏机制。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种恒定荷载下岩石结构面剪切连续-非连续数值方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：通过3D扫描技术获得岩石结构面上下盘的形貌特征，提取其中控制型二维形貌；
步骤二：基于所述控制型二维形貌建立岩石结构面剪切力学模型；
步骤三：利用连续-非连续数值方法开展所述岩石结构面剪切力学模型的剪切试验数值模拟，从宏细观角度揭示岩石结构面的破坏机制。
2.如权利要求1所述的恒定荷载下岩石结构面剪切连续-非连续数值方法，其特征在于，所述步骤一包括：
对结构面试样的上下盘结构面进行3D扫描，获得所述结构面试样的上下盘结构面点云数据；
对所述上下盘结构面点云数据进行均匀化处理，沿所述结构面试样的剪切方向提取二维轮廓线，分别计算各条二维轮廓线的粗糙度以及所述上下盘结构面对应两条轮廓线的匹配程度；
综合所述粗糙度及所述匹配程度指标，利用岩石结构面强度公式预估各所述轮廓线的强度，选取强度最大的轮廓线作为所述控制型二维形貌。
3.如权利要求2所述的恒定荷载下岩石结构面剪切连续-非连续数值方法，其特征在于，
所述结构面试样的上下盘结构面通过现场采集、劈裂或剪切获得；
沿所述结构面试样的剪切方向间隔0.5mm提取所述二维轮廓线；
通过粗糙度表征参数来确定所述二维轮廓线的粗糙度。
4.如权利要求3所述的恒定荷载下岩石结构面剪切连续-非连续数值方法，其特征在于，所述粗糙度表征参数包括：Z2、SF、RMS、SD、RP，其中，
所述Z2表征轮廓线的平均起伏角度与起伏高度；
所述SF表征轮廓线结构特征；
所述RMS表征轮廓线的起伏幅度，既轮廓线各数据点点高度；
所述SD表征起伏角标准差；
所述RP表征轮廓线的线粗糙度度量参数。
5.如权利要求1所述的恒定荷载下岩石结构面剪切连续-非连续数值方法，其特征在于，所述步骤二包括：
将所述控制型二维形貌导入图形处理软件，生成上下盘结构面；
根据所述上下盘结构面的尺寸，生成上下盘试样，并在所述上下盘结构面的两侧生成局部加密区域；
在所述上下盘试样的两端生成剪切盒后，获得所述岩石结构面剪切力学模型。
6.如权利要求1所述的恒定荷载下岩石结构面剪切连续-非连续数值方法，其特征在于，所述步骤三包括：
将所述岩石结构面剪切力学模型导入到连续-非连续数值模拟软件中；
对所述岩石结构面剪切力学模型赋予细观参数、施加边界条件及确定各监测变量监测位置；
对所述岩石结构面剪切力学模型开展连续-非连续计算，数值计算完成后，详细分析结构面剪切过程中裂纹扩展和应力、位移场演化特征，从宏细观角度揭示其破坏机制。
7.如权利要求6所述的恒定荷载下岩石结构面剪切连续-非连续数值方法，其特征在于，所述岩石结构面剪切力学模型导入到连续-非连续数值模拟软件时，
采用三角形单元划分试样及剪切盒区域，其中任意两个所述三角形单元接触边采用无厚度的四边形裂纹单元连接；所述三角形单元为理想线弹性单元，所述四边形裂纹单元可产生拉伸、剪切破坏及组合破坏，分别遵循最大拉应力准则和摩尔库伦强度准则。
8.如权利要求7所述的恒定荷载下岩石结构面剪切连续-非连续数值方法，其特征在于，
对所述岩石结构面剪切力学模型赋予细观参数，包括：所述试样及剪切盒的阀值取10倍弹性模量；所述剪切盒直接采用钢材的弹性及强度参数；所述试样的参数是在单轴、三轴及劈裂试验参数基础上通过试错法校核，当所述试样破坏特征、典型曲线与试验结果基本一致时即完成试验基本参数校核，获得各细观参数；结构面参数是界面摩擦系数及阀值，通过与平面试样剪切结果对比获得；
对所述岩石结构面剪切力学模型施加边界条件，包括：试样顶部剪切盒上部施加恒定荷载边界条件，试样顶部剪切盒右侧施加固定约束边界条件，仅限制剪切方向位移，试样底部剪切盒左侧施加恒定位移边界条件，试样底部剪切盒下侧施加固定约束边界条件，仅限制垂直于剪切方向位移；
对所述岩石结构面剪切力学模型确定各监测变量监测位置，包括：采用底部剪切盒左侧端面水平位移作为剪切位移，顶部剪切盒上部垂直位移作为法向位移，剪切力通过顶部剪切盒右侧端面监测，为各监测点合力。
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WO2024016390A1 (zh) * 2022-07-18 2024-01-25 南方科技大学 一种连续-非连续耦合的二维固体破裂模拟方法

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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