CN113361099B - 一种裂隙岩体模拟方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种裂隙岩体模拟方法及系统，通过对裂隙岩体几何、物理参数的不连续变形相似准则的研究，提供了确定裂隙岩体几何、物理参数不连续变形相似准则的确定方法，由于该相似准则全面反映了材料、几何、边界条件与动力条件等方面的相似性，能够更好的模拟工程实际中大尺度复杂裂隙网络岩体的结构形式与受载情况，为物理模型试验方法提供指导，实现对裂隙岩体更准确的模拟。

Description

一种裂隙岩体模拟方法及系统
技术领域
本发明涉及岩体力学技术领域，特别是涉及一种裂隙岩体模拟方法及系统。
背景技术
岩体由于经受过复杂的地质作用，导致其内部形成各种各样的结构面，如断层、节理、裂隙等。裂隙岩体变形性能是岩石力学理论研究的重要基础，也是评价边坡、地下洞室和隧道安全稳定的关键因素。对于工程实际中的大尺度复杂裂隙岩体结构，直接采用理论分析和数值计算的方法研究其在复杂荷载作用下的变形特征具有很大的困难，而进行现场试验耗费的成本太高，且重复性差。物理模型试验方法具有可控制性、可重复性等优点，且易于实现。
物理模型试验的主要依据是相似准则，包括材料相似、几何相似、边界条件相似和动力相似等。由于工程实际中的大尺度复杂裂隙网络岩体的结构形式和受载情况都较为复杂，现有的物理模型试验方法很难同时满足上述所有的相似条件，不能完整的反映出裂隙岩体的变形规律。
发明内容
本发明的目的是提供一种裂隙岩体模拟方法及系统，综合考虑了裂隙岩体几何、物理参数的不连续变形相似准则的建立，通过协调各参数之间的关系，实现了对裂隙岩体变形情况的准确模拟。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种裂隙岩体模拟方法，所述方法包括：
构建裂隙岩体结构力学模型；
根据所述裂隙岩体结构力学模型计算反映裂隙岩体的不连续变形模量方程；
根据所述裂隙岩体结构力学模型建立不连续变形相似力学模型；
根据所述不连续变形模量方程和所述不连续变形相似力学模型，利用相似变换得到反映裂隙岩体变形特性的相似准则；
根据所述相似准则采用物理模型试验方法对裂隙岩体的变形情况进行模拟。
一种裂隙岩体模拟系统，所述系统包括：
原始模型模块，用于构建裂隙岩体结构力学模型；
不连续变形模量模块，用于根据所述裂隙岩体结构力学模型计算反映裂隙岩体的不连续变形模量方程；
相似模型模块，用于根据所述裂隙岩体结构力学模型建立不连续变形相似力学模型；
相似准则模块，用于根据所述不连续变形模量方程和所述不连续变形相似力学模型，利用相似变换得到反映裂隙岩体变形特性的相似准则；
模拟模块，用于根据所述相似准则采用物理模型试验方法对裂隙岩体的变形情况进行模拟。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种裂隙岩体模拟方法及系统，通过对裂隙岩体几何、物理参数的不连续变形相似准则的研究，提供了确定裂隙岩体几何、物理参数不连续变形相似准则的确定方法，由于该相似准则全面反映了材料、几何、边界条件与动力条件等方面的相似性，能够更好的模拟工程实际中大尺度复杂裂隙网络岩体的结构形式与受载情况，为物理模型试验方法提供指导，实现对裂隙岩体更准确的模拟。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的一种裂隙岩体模拟方法流程图；
图2为本发明实施例提供的一种二维贯通裂隙岩体结构力学模型示意图；
图3为本发明实施例提供的一种二维复杂裂隙岩体模型轴向加载条件下变形分析及相似机理分析过程示意图；
图4为本发明实施例提供的二维裂隙岩体不连续变形模量计算原始模型示意图；
图5(a)为10倍纯几何扩大模型与10倍几何扩大不连续变形相似力学模型示意图，(b)为不同岩石基质模量变化对应的10倍几何扩大不连续变形相似力学模型示意图；
图6为本发明实施例提供的一种裂隙岩体模拟系统框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
现有的对裂隙岩体变形模拟的研究主要集中在针对物理模型试验相似材料的研究以及离心模型试验的研究。然而单独考虑部分变量的相似性进行物理模型试验研究具有很大的局限性，不能完整的反映出裂隙岩体的变形规律。
工程实际中岩体含有大量的裂隙网络，单裂隙相似材料岩样的研究能为工程裂隙岩体的变形规律提供一定的理论和试验基础，但仍未能反映原始裂隙岩体模型的一般性力学特性。
本发明的目的是提供一种综合考虑裂隙岩体几何、物理参数的裂隙岩体模拟方法及系统，更好的模拟工程实际中大尺度复杂裂隙网络岩体的结构形式与受载情况，为物理模型试验方法提供指导，实现对裂隙岩体更准确的模拟。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种裂隙岩体模拟方法，所述方法包括：
步骤101：构建裂隙岩体结构力学模型；
步骤102：根据所述裂隙岩体结构力学模型计算反映裂隙岩体的不连续变形模量方程；
步骤103：根据所述裂隙岩体结构力学模型建立不连续变形相似力学模型；
步骤104：根据所述不连续变形模量方程和所述不连续变形相似力学模型，利用相似变换得到反映裂隙岩体变形特性的相似准则；
步骤105：根据所述相似准则采用物理模型试验方法对裂隙岩体进行模拟。
为了简化计算步骤，在构建裂隙岩体力学模型时，考虑到二维平面应力问题，忽略围压对加载方向位移的影响，根据轴向加载条件得到二维贯通裂隙岩体结构力学模型如图2所示。图2中，岩块尺寸为L1×L2，岩石基质杨氏模量和泊松比分别为E0和μ0，承受轴向加载应力为σ1，作用在结构面上的平均应力σc＝σ1cosα，结构面上的法向以及切向应力分量分别为σcn＝σccosα和τcs＝σcsinα。采用如图3所示二维复杂裂隙岩体模型轴向加载条件下变形分析及相似机理分析方法，建立相应二维复杂裂隙网络岩体模型作为裂隙岩体结构力学模型，其中第i条裂隙长度和倾角分别为li和αi，裂隙结构面法向刚度和切向刚度分别为
Figure BDA0003101318800000041
和
Figure BDA0003101318800000042
在根据所述二维贯通裂隙岩体结构力学模型建立相应的二维复杂裂隙网络岩体模型时，首先考虑二维贯通裂隙岩体结构力学模型中裂隙端部约束影响，引入第i条裂隙端部对该裂隙变形的影响系数ri，然后考虑裂隙连通率影响，引入裂隙连通率对岩体裂隙变形的影响系数f，最终得到裂隙岩体结构力学模型。
得到裂隙岩体结构力学模型后，根据裂隙岩体结构力学模型计算反映裂隙岩体的不连续变形模量方程。先根据所述裂隙岩体结构力学模型建立轴向加载位移方程，然后根据所述轴向加载位移方程得到反映裂隙岩体的不连续变形模量方程。
具体的，先分析单贯通裂隙岩体沿轴向加载方向位移方程为：
Figure BDA0003101318800000043
这里u0＝σ1L1/E0为岩石基质沿加载方向的位移，考虑裂隙尖端约束以及裂隙间相互作用对裂隙结构面变形的影响，图3中裂隙岩体结构力学模型中轴向加载方向的位移可以表示为：
Figure BDA0003101318800000051
其中，u0为岩石基质沿加载方向的位移，σ1为承受轴向加载应力，li和αi分别为第i条裂隙长度和倾角，
Figure BDA0003101318800000052
和
Figure BDA0003101318800000053
分别为裂隙结构面法向刚度和切向刚度，f为裂隙连通率对岩体裂隙变形的影响系数，ri为第i条裂隙端部对该裂隙变形的影响系数，L2为岩块尺寸。
接着分析上述裂隙岩体结构力学模型中裂隙岩体沿加载方向的变形模量表示为：
Figure BDA0003101318800000054
这里
Figure BDA0003101318800000055
为裂隙岩体轴向应变，将公式(2)代入到公式(3)中得到
Figure BDA0003101318800000056
E1为裂隙岩体沿加载方向变形模量，li和αi分别为第i条裂隙长度和倾角，
Figure BDA0003101318800000057
和
Figure BDA0003101318800000058
分别为裂隙结构面法向刚度和切向刚度，L1×L2为岩块尺寸。
令不连续变形相似力学模型各材料参数、物理参数设置与裂隙岩体结构力学模型相同，并分别用上角标“′”区分表示，设置与裂隙岩体结构力学模型相同的边界条件，推导不连续变形相似力学模型对应的不连续变形模量方程如下：
Figure BDA0003101318800000059
其中，E′1为裂隙岩体沿加载方向变形模量，l′i和α′i分别为不连续变形相似力学模型的第i条裂隙长度和倾角，
Figure BDA00031013188000000510
和
Figure BDA00031013188000000511
分别为不连续变形相似力学模型的裂隙结构面法向刚度和切向刚度，L′1×L′2为不连续变形相似力学模型的岩块尺寸。
假设裂隙裂隙倾角保持不变，即αi＝α′i，裂隙岩体物理、几何相似常数如下：
Figure BDA0003101318800000061
将公式(6)代入到公式(5)中，相似变换得到
Figure BDA0003101318800000062
为保证公式(7)与公式(4)一致性，需要同时满足以下条件：
Figure BDA0003101318800000063
将公式(6)代入到公式(8),通过上述相似变换推导反应裂隙岩体结构变形特性的模量相似准则如下：
Figure BDA0003101318800000064
其中，E1为裂隙岩体沿加载方向变形模量，E0为岩石基质杨氏模量，
Figure BDA0003101318800000065
和
Figure BDA0003101318800000066
分别为裂隙结构面法向刚度和切向刚度，
Figure BDA0003101318800000067
和
Figure BDA0003101318800000068
分别为不连续变形相似力学模型的裂隙结构面法向刚度和切向刚度，L1×L2为裂隙岩体力学模型的岩块尺寸，L′1×L′2为不连续变形相似力学模型的岩块尺寸，li和αi分别为第i条裂隙长度和倾角，l′i和α′i分别为不连续变形相似力学模型的第i条裂隙长度和倾角。
最后，根据所述相似准则采用物理模型试验方法对裂隙岩体进行模拟，能够更好的模拟工程实际中大尺度复杂裂隙网络岩体的结构形式与受载情况，为物理模型试验方法提供指导，实现对裂隙岩体更准确的模拟。
为了更清楚的对本实施例提供的方法进行说明，以具体某裂隙岩体结构力学模型为例对本实施例所提供的方法的合理性进行验证。
根据实际工程裂隙岩体中裂隙分布规律，借助UDEC离散元软件建立2.83m×2.83m二维贯通裂隙岩体结构力学模型，裂隙密度为10，裂隙倾角呈45°-90°正态分布，为了保证各项异性裂隙岩体在各个方向上原始模型(裂隙岩体结构力学模型)与相似模型(不连续变形相似力学模型)变形模量的相似性，采用如图4所示二维裂隙岩体不连续变形模量计算原始模型，中间以不同角度旋转截取尺寸为2m×2m岩块，进行轴向压缩数值模拟试验，并以10倍几何扩大相似模型进行不连续变形模量相似准则验证。为了方便验证，令
Figure BDA0003101318800000071
Figure BDA0003101318800000072
其中CL＝0.1，取裂隙法向刚度、切向刚度相同，统一记作
Figure BDA0003101318800000073
验证结果不失一般性。裂隙岩体结构力学模型(图、表中简称模型)具体物理参数见下表1。
表1裂隙岩体结构力学模型物理参数
Figure BDA0003101318800000074
图5所示为该二维贯通裂隙岩体结构力学模型轴向加载条件下不同方向变形模量与对应10倍几何扩大不连续变形相似力学模型的变形模量之间的比较，图5(a)中岩石基质弹性模量保持不变，即
Figure BDA0003101318800000075
由公式(8)得到
Figure BDA0003101318800000076
Figure BDA0003101318800000077
通过公式(9)得到裂隙岩体10倍几何扩大不连续变形相似力学模型对应的物理参数见表2。
表2 10倍几何扩大不连续变形相似力学模型物理参数
Figure BDA0003101318800000078
Figure BDA0003101318800000081
图5(b)中，不连续变形相似力学模型岩石基质材料弹性模量值减弱，即
Figure BDA0003101318800000082
及
Figure BDA0003101318800000083
时，通过公式(8)和公式(9)得到变形模量相似模型对应的物理参数，以上相似模型参数是依据本实施例提出的不连续变形相似力学模型建立方法得到的，三种相似模型对应的相似常数见表3。
表3三种相似模型对应的相似常数
Figure BDA0003101318800000084
图5(a)采用10倍纯几何扩大模型作为对照模型，结果显示裂隙岩体原始模型与相似模型各个方向变形模量具有很好的相似性，与纯几何扩大模型差异性显著。图5(b)显示岩石基质模量变化时，相似模型与原始模型变形模量复合本发明不连续变形模量相似准则。图5数值计算结果证明本发明提供的方法能够获得与原始模型相似的变形模量，本实施例提供的不连续变形相似模型建立方法合理。
实施例2
如图6所示，本实施例提供了一种裂隙岩体模拟系统，所述系统包括：
原始模型模块M1，用于构建裂隙岩体结构力学模型；
不连续变形模量模块M2，用于根据所述裂隙岩体结构力学模型计算反映裂隙岩体的不连续变形模量方程；
相似模型模块M3，用于根据所述裂隙岩体结构力学模型建立不连续变形相似力学模型；
相似准则模块M4，用于根据所述不连续变形模量方程和所述不连续变形相似力学模型，利用相似变换得到反映裂隙岩体变形特性的相似准则；
模拟模块M5，用于根据所述相似准则采用物理模型试验方法对裂隙岩体的变形情况进行模拟。
本说明书中每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种裂隙岩体模拟方法，其特征在于，所述方法包括：
构建裂隙岩体结构力学模型；
根据所述裂隙岩体结构力学模型计算反映裂隙岩体的不连续变形模量方程；
根据所述裂隙岩体结构力学模型建立不连续变形相似力学模型；
根据所述不连续变形模量方程和所述不连续变形相似力学模型，利用相似变换得到反映裂隙岩体变形特性的相似准则；所述相似准则包括：
Figure FDA0003595541220000011
其中，E1为裂隙岩体沿加载方向变形模量，E0为岩石基质杨氏模量，
Figure FDA0003595541220000012
和
Figure FDA0003595541220000013
分别为裂隙结构面法向刚度和切向刚度，
Figure FDA0003595541220000014
和
Figure FDA0003595541220000015
分别为不连续变形相似力学模型的裂隙结构面法向刚度和切向刚度，L1×L2为裂隙岩体力学模型的岩块尺寸，L′1×L′2为不连续变形相似力学模型的岩块尺寸，li为第i条裂隙长度，l′i为不连续变形相似力学模型的第i条裂隙长度，E′1为裂隙岩体沿加载方向变形模量，E′0为岩石基质杨氏模量；
根据所述相似准则采用物理模型试验方法对裂隙岩体的变形情况进行模拟。
2.根据权利要求1所述的一种裂隙岩体模拟方法，其特征在于，所述构建裂隙岩体结构力学模型包括：
根据二维平面应力规律，建立轴向加载条件下二维贯通裂隙岩体结构力学模型；
根据所述二维贯通裂隙岩体结构力学模型建立相应的裂隙岩体结构力学模型。
3.根据权利要求2所述的一种裂隙岩体模拟方法，其特征在于，所述根据所述二维贯通裂隙岩体结构力学模型建立相应的裂隙岩体结构力学模型包括：
根据所述二维贯通裂隙岩体结构力学模型中裂隙端部约束影响以及裂隙连通率影响建立相应的裂隙岩体结构力学模型。
4.根据权利要求1所述的一种裂隙岩体模拟方法，其特征在于，根据所述裂隙岩体结构力学模型计算反映裂隙岩体的不连续变形模量方程包括：
根据所述裂隙岩体结构力学模型建立轴向加载位移方程；
根据所述轴向加载位移方程得到反映裂隙岩体的不连续变形模量方程。
5.根据权利要求4所述的一种裂隙岩体模拟方法，其特征在于，所述轴向加载位移方程包括：
Figure FDA0003595541220000021
其中，u1为岩石基质轴向加载位移，u0为岩石基质沿加载方向的位移，σ1为承受轴向加载应力，li和αi分别为第i条裂隙长度和倾角，
Figure FDA0003595541220000022
和
Figure FDA0003595541220000023
分别为裂隙结构面法向刚度和切向刚度，f为裂隙连通率对岩体裂隙变形的影响系数，ri为第i条裂隙端部对该裂隙变形的影响系数，L2为岩块尺寸。
6.根据权利要求4所述的一种裂隙岩体模拟方法，其特征在于，所述不连续变形模量方程包括：
Figure FDA0003595541220000024
其中，E1为裂隙岩体沿加载方向变形模量，E0为岩石基质杨氏模量，li和αi分别为第i条裂隙长度和倾角，
Figure FDA0003595541220000025
和
Figure FDA0003595541220000026
分别为裂隙结构面法向刚度和切向刚度，L1×L2为岩块尺寸。
7.根据权利要求1所述的一种裂隙岩体模拟方法，其特征在于，所述根据所述裂隙岩体结构力学模型建立不连续变形相似力学模型包括：
根据所述裂隙岩体结构力学模型的材料参数、物理参数与边界条件推导得到所述不连续变形相似力学模型。
8.根据权利要求7所述的一种裂隙岩体模拟方法，其特征在于，所述不连续变形相似力学模型包括：
Figure FDA0003595541220000031
其中，E′1为不连续变形相似力学模型的裂隙岩体沿加载方向变形模量，E′0为不连续变形相似力学模型的岩石基质杨氏模量，l′i和α′i分别为不连续变形相似力学模型的第i条裂隙长度和倾角，
Figure FDA0003595541220000032
和
Figure FDA0003595541220000033
分别为不连续变形相似力学模型的裂隙结构面法向刚度和切向刚度，L′1×L′2为不连续变形相似力学模型的岩块尺寸。
9.一种裂隙岩体模拟系统，其特征在于，所述系统包括：
原始模型模块，用于构建裂隙岩体结构力学模型；
不连续变形模量模块，用于根据所述裂隙岩体结构力学模型计算反映裂隙岩体的不连续变形模量方程；
相似模型模块，用于根据所述裂隙岩体结构力学模型建立不连续变形相似力学模型；
相似准则模块，用于根据所述不连续变形模量方程和所述不连续变形相似力学模型，利用相似变换得到反映裂隙岩体变形特性的相似准则；所述相似准则包括：
Figure FDA0003595541220000034
其中，E1为裂隙岩体沿加载方向变形模量，E0为岩石基质杨氏模量，
Figure FDA0003595541220000035
和
Figure FDA0003595541220000036
分别为裂隙结构面法向刚度和切向刚度，
Figure FDA0003595541220000037
和
Figure FDA0003595541220000038
分别为不连续变形相似力学模型的裂隙结构面法向刚度和切向刚度，L1×L2为裂隙岩体力学模型的岩块尺寸，L′1×L′2为不连续变形相似力学模型的岩块尺寸，li为第i条裂隙长度，l′i为不连续变形相似力学模型的第i条裂隙长度，E′1为裂隙岩体沿加载方向变形模量，E′0为岩石基质杨氏模量；
模拟模块，用于根据所述相似准则采用物理模型试验方法对裂隙岩体的变形情况进行模拟。
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