CN113420427B - 一种恒定刚度下岩石结构面剪切连续-非连续数值方法 - Google Patents

一种恒定刚度下岩石结构面剪切连续-非连续数值方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种恒定刚度下岩石结构面剪切连续‑非连续数值方法，包括：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；基于控制型二维形貌建立岩石结构面剪切力学模型；将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，划分单元，校核岩石结构面剪切力学模型的细观参数；进行刚度校核及建立法向应力‑时间步长关系；最后施加给定刚度边界条件，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。

Description

一种恒定刚度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，特别涉及一种恒定刚度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。
而且，根据剪切试验过程中所施加法向边界条件的不同，直剪试验可分为常法向荷载(constantnormal load，CNL)剪切和常法向刚度(constant normal stiffness，CNS)剪切2种类型。前者对应地表或浅埋工程如边坡中未锚固缓倾结构面、坝基等在剪切滑移过程中的边界条件，而绝大多数地下工程中岩体结构面的边界条件更加接近于后者。由于受试验设备能力的制约，目前绝大多数结构面直剪试验仍是在CNL条件下完成的。
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，特别是针对常法向刚度剪切试验的。
发明内容
本申请提供了一种恒定刚度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；实现了提供一种针对常法向刚度剪切试验的恒定刚度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刚度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，所述岩石结构面剪切力学模型的上剪切盒顶部设置有一个刚性块体；
步骤三：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，划分单元，校核所述岩石结构面剪切力学模型的细观参数；
步骤四：对所述岩石结构面剪切力学模型进行刚度校核及建立法向应力-时间步长关系；
步骤五：施加给定边界条件，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，并在上剪切盒顶部设置所述刚性块体，继而获得所述岩石结构面剪切力学模型。
作为优选，所述步骤三中，划分单元具体为：
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，所述步骤三中，校核所述岩石结构面剪切力学模型的细观参数具体为：
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。
作为优选，所述步骤四包括：
对所述岩石结构面剪切力学模型进行初步剪切模拟，在初步剪切模拟过程中，在试样顶部刚性块体边界施加固定约束边界条件，仅限制垂直于剪切方向位移，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，改变刚性块体弹性模量，建立弹性模量与刚度关系，以确定所述刚性块体的弹性模量以满足预设的法向刚度；
将所述岩石结构面剪切力学模型的上剪切盒水平方向固定，下剪切盒水平和垂直方向固定，通过压缩所述刚性块体得到所述岩石结构面剪切力学模型的法向应力-时间步长关系。
作为优选，根据所述法向应力-时间步长关系及初始法向应力条件，确定相应的时间步，进而在确定的时间步内压缩刚性块体，达到指定时间步长后，试样顶部刚性块体边界施加固定约束边界条件，仅限制垂直于剪切方向位移；
所述步骤五中，对所述岩石结构面剪切力学模型施加给定边界条件，包括：试样顶部刚性块体上部施加恒定初始荷载及刚度边界条件，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。
作为优选，所述步骤五中，进行剪切试验数值模拟计算前，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；
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。
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：
本申请的恒定刚度下岩石结构面剪切连续-非连续数值方法包括：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；基于控制型二维形貌建立岩石结构面剪切力学模型；将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，划分单元，校核岩石结构面剪切力学模型的细观参数；进行刚度校核及建立法向应力-时间步长关系；最后施加给定刚度边界条件，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刚度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刚度曲线对比结果示意图；
图6为本申请实施例提供的结构面损伤演化过程示意图；
图7为本申请实施例提供的裂纹演化特征统计图。
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刚度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)，并且在岩石结构面剪切力学模型的上剪切盒顶部设置一个刚性块体；
S3：将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，划分单元，校核岩石结构面剪切力学模型的细观参数；
S4：对岩石结构面剪切力学模型进行刚度校核及建立法向应力-时间步长关系；
S5：施加给定边界条件，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。
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 GDA0003751951240000071
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：在上下盘试样的两端生成剪切盒，并在上剪切盒顶部设置刚性块体，继而获得岩石结构面剪切力学模型。
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(刚性块体3个参数对应2、5、10GPa/m)
Figure GDA0003751951240000081
Figure GDA0003751951240000091
步骤S4具体为：
S401：通过进行初步剪切模拟，确定刚性块体的弹性模量以满足预设的法向刚度。当刚性块体上的变形均匀时，理想弹性模量等于设定的法向刚度与高度的乘积。由于存在不均匀变形。需校核该参数。在初步剪切模拟中，刚性块体被赋予接近理想值的不同弹性模量并限制其在垂直位置位移，其余边界条件与正式剪切模拟一致，以确定法向刚度与输入杨氏模量之间的关系。根据确定的关系，对应于室内试验用砂岩法向刚度2、5和10GPa/m的刚性块体的输入杨氏模量分别为43.19、107.16和213.77MPa。
S402：一旦在S401确定了刚性块体的力学性能，就可以开始法向应力-时间步长关系建立，上剪切盒水平方向固定，下剪箱水平和垂直方向固定，刚性块体压缩得到岩石结构面剪切力学模型的法向应力-时间步长曲线，以确定预设初始正应力对应的时间步长。
步骤S5具体为：
S501：施加边界条件，试样顶部刚性块体上部施加恒定初始荷载及刚度边界条件(根据法向应力-时间步长关系及初始法向应力条件，确定相应的时间步，进而在确定的时间步内压缩刚性块体，达到指定时间步长后，试样顶部刚性块体边界施加固定约束边界条件，仅限制垂直于剪切方向位移，以实现恒定初始荷载及刚度边界条件)，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。
S502：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。
S503：开展连续-非连续计算，数值计算完成后，对比分析试验与模拟所得的刚度(参见附图5)证明了所提出的试验方法的合理性与准确性，进而分析剪切过程中裂纹扩展与结构面损伤演化过程(参见附图6和7，法向应力1MPa，刚度10GPa/m)，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)

1.一种恒定刚度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，所述岩石结构面剪切力学模型的上剪切盒顶部设置有一个刚性块体；
步骤三：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，划分单元，校核所述岩石结构面剪切力学模型的细观参数；
步骤四：对所述岩石结构面剪切力学模型进行刚度校核及建立法向应力-时间步长关系；
步骤五：施加给定边界条件，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；
所述步骤四包括：
对所述岩石结构面剪切力学模型进行初步剪切模拟，在初步剪切模拟过程中，在试样顶部刚性块体边界施加固定约束边界条件，仅限制垂直于剪切方向位移，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，改变刚性块体弹性模量，建立弹性模量与刚度关系，以确定所述刚性块体的弹性模量以满足预设的法向刚度；
将所述岩石结构面剪切力学模型的上剪切盒水平方向固定，下剪切盒水平和垂直方向固定，通过压缩所述刚性块体得到所述岩石结构面剪切力学模型的法向应力-时间步长关系；
根据所述法向应力-时间步长关系及初始法向应力条件，确定相应的时间步，进而在确定的时间步内压缩刚性块体，达到指定时间步长后，试样顶部刚性块体边界施加固定约束边界条件，仅限制垂直于剪切方向位移；
所述步骤五中，对所述岩石结构面剪切力学模型施加给定边界条件，包括：试样顶部刚性块体上部施加恒定初始荷载及刚度边界条件，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。
2.如权利要求1所述的恒定刚度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所述的恒定刚度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所述的恒定刚度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；
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所述的恒定刚度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，并在上剪切盒顶部设置所述刚性块体，继而获得所述岩石结构面剪切力学模型。
6.如权利要求1所述的恒定刚度下岩石结构面剪切连续-非连续数值方法，其特征在于，所述步骤三中，划分单元具体为：
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。
7.如权利要求6所述的恒定刚度下岩石结构面剪切连续-非连续数值方法，其特征在于，所述步骤三中，校核所述岩石结构面剪切力学模型的细观参数具体为：
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一致时即完成试验参数校核，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。
8.如权利要求1所述的恒定刚度下岩石结构面剪切连续-非连续数值方法，其特征在于，所述步骤五中，进行剪切试验数值模拟计算前，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；
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。
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