CN114626215A - 一种基于离散元与合成岩体技术的岩质边坡建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于离散元与合成岩体技术的岩质边坡建模方法，首先，现场采集裂隙数据，求取裂隙分布函数；现场采集岩块与含裂隙岩块样本进行室内力学试验得到岩块与裂隙的力学参数；利用边坡剖面建立离散元边坡模型；利用裂隙分布函数构建边坡离散裂隙网络模型DFN，将离散元边坡模型与裂隙网络模型组合；最后模拟与实验室相同的力学试验，对照宏观力学参数对颗粒间的接触的细观参数进行标定，将标定结果用到组合模型中，裂隙岩体边坡模型建模完成。本发明充分考虑到裂隙的离散性与裂隙岩体的力学特性，真实反映现实中裂隙的空间分布特征，模型可用于边坡稳定性分析及滑坡运动过程反演等问题时，结果较现有技术真实可靠。

Description

一种基于离散元与合成岩体技术的岩质边坡建模方法
技术领域
本发明属于岩土工程、地质工程技术领域，具体涉及一种基于离散元与合成岩体技术的岩质边坡建模方法。
背景技术
受构造运动及后期表生改造作用的影响，岩体内裂隙发育。裂隙的存在会显著降低岩体的强度参数，边坡岩体的变形及稳定性主要受控于内部的裂隙。裂隙越多，岩体越破碎，边坡越不稳定，容易发生滑坡等地质灾害。所以在进行数值模拟时，如何真实的模拟岩体中的随机裂隙，并嵌入到边坡模型中，对于边坡稳定性的正确分析与评价、滑坡过程的真实反演等具有非常重要的作用。
现有的方法在模拟岩质边坡时，对裂隙大都进行了简化，或忽略一些小尺寸裂隙的影响，只嵌入几条明显的较大的裂隙，或将整个边坡的裂隙简化为几组倾角与方向都固定不变的裂隙组，不能反映裂隙的离散特性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有方法中所存在的上述不足，提出一种基于离散元与合成岩体技术的岩质边坡建模方法，利用离散元方法，考虑岩体中裂隙分布的随机性，并同时考虑裂隙岩体的力学特性，建立用于分析边坡稳定性及反演滑坡运动过程等问题的裂隙岩体边坡模型。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种基于离散元与合成岩体技术的岩质边坡建模方法，包括以下步骤：
步骤1、采用窗口调查法现场测量获取裂隙数据，对裂隙数据按照产状进行分组，将每组裂隙数据导入SPSS数据分析软件中进行单样本非参数检验以获取每组裂隙数据服从的分布函数；
步骤2、现场采集完整岩块及含裂隙的岩块样品，在实验室开展岩石力学试验，获得岩块与裂隙的力学参数；
步骤3、构建离散元边坡模型：将边坡纵剖面导入到离散元软件中建立边坡几何模型，并在模型中进行离散元颗粒填充；
步骤4、构建边坡离散裂隙网络模型DFN：根据裂隙服从的概率分布函数及特征参数，用fish语言自定义分布函数，在指定空间范围内不断生成符合分布函数的裂隙，直到指定空间范围内的裂隙密度达到指定密度，三维离散裂隙网络模型的建模完成。然后，将三维裂隙网络按边坡剖面的实际大小进行剖切得到二维边坡离散裂隙网络模型DFN。
步骤5、将步骤4构建完成的二维边坡离散裂隙网络模型DFN嵌入到步骤3构建好的离散元边坡模型中，裂隙两侧颗粒之间的接触模型采用光滑节理接触模型，其余颗粒间接触采用平行粘结接触模型；
步骤6、接触参数标定：用离散元方法建立与步骤2中室内试验相同的数值模型，模型中的裂隙两侧颗粒之间的接触模型采用光滑节理接触模型，其余颗粒之间的接触模型采用平行粘结接触模型；对两种接触模型的细观参数不断进行调整，直到数值模型结果接近实验室试验结果，标定完成。
步骤7、将步骤6中标定好的接触细观参数应用于步骤5的模型中，合成岩体边坡模型建立完成。
如上所述的裂隙数据包括裂隙的倾角、倾向、尺寸、间距；所述的分组依据为倾向、倾角数据相近为一组。
如上所述的实验室力学试验包括单轴压缩试验、结构面直剪试验；所述的岩块的力学参数包括单轴抗压强度、泊松比、弹性模量；所述裂隙的力学参数包括内摩擦角、黏聚力。
如上所述的平行粘结模型是离散元方法中专门用来模拟岩石材料的接触模型，所述的光滑节理接触模型是离散元方法中专门用于模拟裂隙的接触模型。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
基于现场测取的大量裂隙数据来建立离散裂隙网络模型DFN，能够充分考虑到裂隙的随机性，真实的反映边坡中裂隙的分布情况。岩块与结构面样品直接在现场获取，在实验室通过简单的物理力学试验确定其力学参数，操作简便，参数可靠，通过参数标定过程将岩体与裂隙的实验室宏观力学参数应用到数值模型中，充分考虑了裂隙岩体的力学特性。在利用本模型进行边坡的稳定性计算或反演滑坡运动过程等问题时，模拟结果较现有技术真实可靠。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明中离散元边坡模型示意图。
图3为本发明中三维离散裂隙网络模型示意图。
图4为本发明中由图3的三维裂隙网络剖切而成的边坡二维离散裂隙网络模型示意图。
图5为本发明中为了标定颗粒间接触模型的细观参数建立的单轴压缩试验模型。
图6为本发明中为了标定颗粒间接触模型的细观参数建立的结构面直剪试验模型。
图7为本发明中离散元与合成岩体技术的岩质边坡模型。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述。应当理解此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1：
以青藏高原某一大型岩质滑坡为例，为分析其发生滑坡之前的稳定性并反演滑坡运动过程，建立一种基于离散元与合成岩体技术的岩质边坡模型，包括如下步骤：
步骤1、在滑坡现场开展工程地质调查，现场测量边坡基岩裸露区的裂隙数据，包括裂隙的倾角、倾向、长度、间距。对裂隙数据进行分组，分组依据为倾向、倾角数据相近的为一组，将数据导入SPSS数据分析软件中进行单样本非参数检验，求取每组裂隙数据服从的分布函数。表1为青藏高原某一大型岩质滑坡的裂隙数据及其服从的分布函数。
步骤2、现场取回边坡代表性完整岩块及含裂隙的岩块样品，在实验室开展单轴压缩试验与结构面直剪试验，获取岩块的力学参数包括单轴抗压强度、泊松比、弹性模量以及裂隙的力学参数包括内摩擦角、黏聚力。表2为岩块力学参数；表3为裂隙力学参数。
步骤3、构建离散元边坡模型：获取现实中的边坡剖面，在剖面中填充颗粒。在建立离散元模型时，颗粒半径越小，所需颗粒数越多，计算效率越低，所以离散元模型的颗粒半径一般比现实中的岩块大，最终决定颗粒半径为2～3.5m，颗粒密度为2670kg/m3，孔隙率为0.1，颗粒摩擦系数为0.05，模型共填充了39159个颗粒。如图2是建立好的离散元边坡模型。
步骤4、构建边坡离散裂隙网络模型DFN：根据裂隙倾向、倾角、长度和间距等服从的概率分布函数及函数值，例如高斯分布的均值与标准差、对数正态分布的均值与方差，用fish语言自定义分布函数，在指定空间范围内不断生成符合分布函数的单个裂隙，直到指定空间范围内的裂隙密度达到指定密度，三维裂隙网络模型的建模完成(图3)。(由于颗粒半径为2～3.5m，而测得的裂隙数据中的裂隙平均长度为2～2.6m，裂隙长度小于颗粒直径，而模型中的裂隙长度需要远大于颗粒直径才能充分发挥作用，所以将长度放大10倍。现实中裂隙的间距在0.1～0.5m之间，裂隙间距小于颗粒直径，密度过大，直接采用会导致模型中裂隙太密，造成模拟失败，所以将裂隙密度缩小为原来的1/5，第一组裂隙密度设为0.05，第二组裂隙密度设为0.1，第三组裂隙密度设为0.05)。最终，将三维裂隙网络按边坡二维剖面的实际大小进行剖切得到了我们需要的二维边坡离散裂隙网络模型DFN，根据实际操作，剖切位置的不同对结果影响不大(图4)。
步骤5、将步骤4构建完成的二维裂隙网络模型DFN嵌入到步骤3构建的离散元边坡模型中，裂隙两侧颗粒之间的接触模型采用光滑节理接触模型，其余颗粒间接触采用平行粘结接触模型；平行粘结模型是离散元方法中专门用来模拟岩石材料的接触模型，光滑节理接触模型是离散元方法中专门用于模拟裂隙的接触模型。
步骤6、接触细观参数标定：用离散元方法模拟步骤2中的单轴压缩试验，调整模型中颗粒间的平行粘结接触模型的细观参数，直到模拟结果接近实验室试验结果，平行粘结模型的细观参数标定完成(图5)。同理，模拟步骤2中的结构面直剪试验，调整裂隙两侧颗粒之间的光滑节理接触模型的细观参数，直到模拟结果与实验室试验结果相近，光滑节理接触模型的细观参数标定完成(图6)，接触模型的细观参数如表4所示。
步骤7、将步骤6中标定好的接触细观参数赋予步骤5生成的模型中，基于离散元与合成岩体技术的岩质边坡模型建立完成(图7)。
表1青藏高原某一大型岩质滑坡的裂隙数据及其服从的分布函数
Figure BDA0003543966520000051
表2岩块力学参数
Figure BDA0003543966520000052
表3裂隙力学参数
Figure BDA0003543966520000053
表4接触模型的细观参数标定结果
Figure BDA0003543966520000054

Claims (4)

1.一种基于离散元与合成岩体技术的岩质边坡建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、采用窗口调查法现场测量获取裂隙数据，对裂隙数据按照产状进行分组，将每组裂隙数据导入SPSS数据分析软件中进行单样本非参数检验以获取每组裂隙数据服从的分布函数；
步骤2、现场采集完整岩块及含裂隙的岩块样品，在实验室开展岩石力学试验，获得岩块与裂隙的力学参数；
步骤3、构建离散元边坡模型：将边坡纵剖面导入到离散元软件中建立边坡几何模型，并在模型中进行离散元颗粒填充；
步骤4、构建边坡离散裂隙网络模型DFN：根据裂隙服从的概率分布函数及特征参数，用fish语言自定义分布函数，在指定空间范围内不断生成符合分布函数的裂隙，直到指定空间范围内的裂隙密度达到指定密度，三维离散裂隙网络模型的建模完成；然后，将三维裂隙网络按边坡剖面的实际大小进行剖切得到二维边坡离散裂隙网络模型DFN；
步骤5、将步骤4构建完成的二维边坡离散裂隙网络模型DFN嵌入到步骤3构建好的离散元边坡模型中，裂隙两侧颗粒之间的接触模型采用光滑节理接触模型，其余颗粒间接触采用平行粘结接触模型；
步骤6、接触参数标定：用离散元方法建立与步骤2中室内试验相同的数值模型，模型中的裂隙两侧颗粒之间的接触模型采用光滑节理接触模型，其余颗粒之间的接触模型采用平行粘结接触模型；对两种接触模型的细观参数不断进行调整，直到数值模型结果接近实验室试验结果，标定完成；
步骤7、将步骤6中标定好的接触细观参数应用于步骤5的模型中，合成岩体边坡模型建立完成。
2.根据权利要求1所述的一种基于离散元与合成岩体技术的岩质边坡建模方法，其特征在于，所述的裂隙数据包括裂隙的倾角、倾向、尺寸、间距；所述的分组依据为倾向、倾角数据相近为一组。
3.根据权利要求1所述的一种基于离散元与合成岩体技术的岩质边坡建模方法，其特征在于，所述的实验室力学试验包括单轴压缩试验、结构面直剪试验；所述的岩块的力学参数包括单轴抗压强度、泊松比、弹性模量；所述裂隙的力学参数包括内摩擦角、黏聚力。
4.根据权利要求1所述的一种基于离散元与合成岩体技术的岩质边坡建模方法，其特征在于，所述的平行粘结模型是离散元方法中专门用来模拟岩石材料的接触模型，所述的光滑节理接触模型是离散元方法中专门用于模拟裂隙的接触模型。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115795828A (zh) * 2022-11-16 2023-03-14 武汉大学 基于数据驱动的裂隙岩体变形计算方法及装置
CN116129035A (zh) * 2022-11-28 2023-05-16 西南交通大学 考虑岩块空间分布的碎裂岩体三维离散元模型构建方法

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