CN114861401B - 一种层状岩体fdem数值模拟输入参数标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种层状岩体FDEM数值模拟输入参数标定方法，步骤如下：(1)开展单轴压缩试验，获取水平和垂直层状岩体弹性模量和泊松比；(2)开展直接拉伸试验，获取水平和垂直层状岩样抗拉强度；(3)开展直接剪切试验，获取水平和垂直层状岩样粘聚力和内摩擦系数；(4)进行直接拉伸FDEM数值模拟，获取水平和垂直层状岩体I型断裂能；(5)进行直接剪切FDEM数值模拟，获取水平和垂直层状岩体II型断裂能；(6)采用上述宏观参数和断裂能，开展FDEM数值模拟，获得网格尺寸上限值；(7)开展不同倾角岩样的单轴压缩试验和FDEM数值模拟，验证被标参数的可靠性。本发明的标定方法获得的参数能够准确模拟层状岩体的力学特性，且适用于工程尺度的模拟。
Description
技术领域
本发明属于岩石力学与岩石工程领域，具体涉及有限元-离散元耦合数值模拟程序(FDEM)层状岩体输入参数标定方法及被标参数的可靠性验证方法。
背景技术
在交通隧道、水利隧洞和矿山巷道掘进中，常常遭遇层状岩体，或称为层状岩体，如太古高速西山隧道、常吉高速雀儿溪隧道、渝利铁路火风山隧道、玉瓦水电站引水隧洞、锦屏II级水电站引水隧洞和张村煤矿等。据统计，层状岩体约占陆地总面积的66％，中国的层状岩体则高达国土面积的77％，如已开工建设的川藏铁路雅安至昌都段，隧道穿越地层多以变质层状板岩为主。与各向同性均质围岩不同，层状围岩易发生非对称变形破坏，其破坏形式可表现为沿层面的剪切滑移、层间的张拉离层和垂直层面的屈曲折断、塌落等，具体破坏形式取决于地应力(包括地应力量值和侧压系数)、围岩物理力学特性(如层间粘聚力、内摩擦系数、抗拉强度和弹性模量)和几何特性(如层倾角和层间距等)，也包括断面形状、隧道尺寸和隧道开挖方式等。
由于岩体赋存环境和岩体材料介质自身力学特性的复杂性，数值模拟成为一种较佳的研究手段，可分为连续性方法、非连续性方法和耦合方法，其中耦合方法中的FDEM方法逐渐成为岩石力学领域的主流分析方法，因为它能够重现隧道开挖后围岩从完整至弹塑性变形再至断裂失效的全过程，亦能够模拟破裂块体间的接触挤压效应，且能够重现围岩应力场和位移场的孕育演化全过程。对于层状岩体的模拟，通常采用随机裂隙网络法(DFN)和弥散方法(Smeared)，相比于随机裂隙网络法，弥散方法更能精准表征层状岩体的层理特性，因而应用更为广泛，它采用显式网格直接表征层理面，在两层理面之间再划分三角形单元和四边形节理单元，节理单元的强度参数与其和层理面的夹角线性相关。
对于FDEM中的弥散方法模拟层状岩体力学特征，当前已建立了数值本构模型，然而对于涉及到的计算参数当前尚无合适的标定方法，使得输入参数难以合理确定，因而在隧道开挖模拟方面还存在较大问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种层状岩体FDEM数值模拟输入参数标定方法，同时提出被标参数可靠性验证方法。
本发明提供的技术方案如下：
一种层状岩体FDEM数值模拟输入参数标定方法，包括如下步骤：
(1)钻取并加工出圆柱形水平和垂直层状标准试件，分别开展室内岩体力学试验，获得水平层状岩体的弹性模量和泊松比E、v和垂直层状岩体的弹性模量和泊松比E’和v’；
(2)将水平层状和垂直层状圆柱形标准试件，采用高强度胶水将岩样和加载板粘接，开展直接拉伸试验，获得水平和垂直层状岩体抗拉强度ft、ft’；
(3)采用立方体试件，开展水平和垂直层状不同法向压力的直接剪切试验，获得水平层状岩体的粘聚力c、内摩擦系数，垂直层状岩体的粘聚力c’、内摩擦系数/>；
(4)建立水平和垂直层状岩体直接拉伸FDEM数值模型，岩体和加载板间的节理单元抗拉强度设为GPa级别，防止岩体和加载板之间发生拉伸断裂；采用步骤(1)得到的弹性模量、泊松比E、v、E’和v’，将水平和垂直层状岩体的抗拉强度分别设为步骤(2)得到的ft和ft’，分别得到水平和垂直层状岩体的I型断裂能GI和GI’；
(5)建立水平和垂直层状岩体FDEM数值模型，采用步骤(3)得到的粘聚力c、c’和内摩擦系数，开展直接剪切试验，获得水平和垂直层状岩体的II型断裂能GII和GII’；
(6)采用室内试验得到的宏观参数和步骤(4)、步骤(5)标定得到的断裂能，开展垂直层状岩体直接拉伸、垂直层状岩体直接剪切和水平层状岩体单轴压缩FDEM数值模拟，获得网格尺寸上限值；
(7)从水平层状岩体至垂直层状岩体，以15°递增，开展不同倾角岩样的室内单轴压缩试验和对应的FDEM数值模拟，将试验值和模拟值比较，验证被标参数的可靠性。
进一步，所述步骤(1)中标准试件的直径为50mm，高度为100mm。
进一步，所述步骤(1)中室内岩体力学包括水平层状岩样单轴压缩、直接拉伸和直接剪切试验；还包括垂直层状岩样单轴压缩、直接拉伸和直接剪切试验，以及以15°递增的不同倾角的岩样单轴压缩试验。
更进一步，所述以15°递增的不同倾角包括0、15°、30°、45°、60°、75°和90°。
进一步，所述步骤(3)中立方体试件的尺寸为140mm×140mm×140mm。
进一步，所述步骤(4)中，FDEM直接拉伸数值模拟先进行水平层状岩样的模拟，平行于层理面节理单元的抗拉强度输入值为ft，模拟标定得到水平层状岩体的I型断裂能GI。所述步骤(4)开展垂直层状岩体FDEM直接拉伸数值模拟时，将水平层状岩体抗拉强度设为ft、相应的I型断裂能设为GI，将垂直层状岩体抗拉强度设为ft’，模拟标定得到垂直层状岩体的I型断裂能GI’。
进一步，所述步骤(5)中层状岩体FDEM数值模型的尺寸为140mm×140mm。
进一步，所述步骤(5)中FDEM直接剪切数值模拟先进行水平层状岩体的模拟，平行于层理面节理单元的粘聚力输入值为c，模拟标定得到水平层状岩体的II型断裂能GII。所述步骤(5)中开展垂直层状岩体FDEM直接剪切数值模拟时，将水平层状岩体粘聚力设为c、内摩擦系数设为、相应的II型断裂能设为GII，将垂直层状岩体粘聚力设为c’、内摩擦系数设为/>，模拟标定得到垂直层状岩体的II断裂能GII’。
进一步，所述室内试验需要获取水平层状岩体的抗拉强度ft、粘聚力c、内摩擦系数、I型断裂能GI、II型断裂能GII和垂直层状岩体的抗拉强度ft’、粘聚力c’、内摩擦系数/>、I型断裂能GI’、II型断裂能GII’；在FDEM数值模拟中，平行于层理面的节理单元抗拉强度、粘聚力、内摩擦系数、I型断裂能和II型断裂能分别取为/>GI和GII，垂直于层理面的节理单元抗拉强度、粘聚力、内摩擦系数、I型断裂能和II型断裂能分别取为GI’和GII’，与层理面斜交的节理单元的抗拉强度、粘聚力、内摩擦系数、I型断裂能和II型断裂能采用下述公式计算：
式中，ft,γ、cγ、GI,γ、GII,γ分别为与层理面成γ夹角的节理单元的抗拉强度、粘聚力、内摩擦系数、I型断裂能和II型断裂能。
进一步，所述采用垂直层状岩体直接拉伸试验、直接剪切试验和水平层状岩体单轴压缩试验标定得到最大可许网格尺寸。
进一步，所述步骤(4)和步骤(5)的数值模型模拟中，以不大于1mm的网格尺寸开展FDEM数值模拟。
进一步，所述步骤(7)中，以步骤(6)标定得到的最大网格尺寸开展FDEM数值模拟验证。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的标定方法实现了水平层状和垂直层状岩体的弹性模量(E、E’)、泊松比(v、v’)、抗拉强度(ft、ft’)、粘聚力(c、c’)和内摩擦系数的获取，也提出了I型断裂能(GI、GI’)、II型断裂能(GII、GII’)和最大可许网格尺寸的标定方法，还提出了被标参数可靠性验证方法，实现了层状岩体力学特性在FDEM中的模拟，所标定参数除网格尺寸外也能够适用于工程案例(如隧洞开挖和边坡滑移)的模拟。
附图说明
图1为层状岩体FDEM数值模拟输入参数标定流程；
图2(a)水平层状岩体单轴压缩示意图；图2(b)垂直层状岩体单轴压缩示意图；
图3(a)水平层状岩体直接拉伸示意图；图3(b)垂直层状岩体直接拉伸示意图；
图4(a)水平层状岩体直接剪切示意图；图4(b)垂直层状岩体直接剪切示意图；
图5为水平层状和垂直层状抗剪强度-法向应力直线图；
图6为层状岩体单轴压缩被标参数验证示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的内容进一步说明，本发明的内容完全不限于此。
实施例
以下结合附图对本发明涉及的层状岩体FDEM数值模拟输入参数标定具体实施方案进行详细说明。
层状岩体FDEM数值模拟输入参数标定流程如下(如图1所示)：
步骤1：采用内径为50mm的空心钻钻取岩心，以平行层理面和垂直层理面的方式钻取并加工成高度为100mm的标准岩样，将水平和垂直层状岩样进行单轴压缩室内试验，如图2所示，获得水平层状岩体的弹性模量和泊松比E、v和垂直层状岩体的弹性模量和泊松比E’和v’；
步骤2：将水平和垂直层状50mm×100mm的圆柱形岩样进行直接拉伸室内试验，如图3所示，获得水平层状和垂直层状岩体的抗拉强度ft和ft’；
步骤3：将水平和垂直层状岩体加工成140mm×140mm×140mm的立方体，法向应力分别设定为3MPa、6MPa、9MPa、12MPa开展直接剪切试验，如图4所示，根据抗剪强度-法向应力拟合直线(如图5所示)获得水平和垂直层状岩体的粘聚力和内摩擦系数c、c’和
步骤4：建立水平层状和垂直层状岩体直接拉伸FDEM数值模型，将岩样和加载板间的节理单元抗拉强度设为GPa级别，防止岩样和加载板之间发生拉断失效，将岩体弹性模量和泊松比设为步骤1中得到的试验结果，先开展水平层状岩体直接拉伸FDEM数值模拟，标定得到I型断裂能GI，尔后开展垂直层状岩体直接拉伸FDEM数值模拟，标定得到I型断裂能GI’；
步骤5：建立水平层状和垂直层状直接剪切FDEM数值模型，将I型断裂能设为步骤4得到的实际值(GI和GI’)，采用步骤3得到的粘聚力c、c’和内摩擦系数先开展水平层状岩体直接剪切试验，标定得到II型断裂能GII，而后开展垂直层状岩体直接剪切FDEM数值模拟，标定得到II型断裂能GII’；
步骤6：采用步骤1-5室内试验和数值模拟标定得到的输入参数，采用垂直层状岩体直接拉伸FDEM数值模型、垂直层状岩体直接剪切FDEM数值模型，并建立水平层状岩体单轴压缩FDEM数值模型，层间距设为1cm，网格尺寸从1mm开始以0.1mm的间隔递增，获得最大可许网格尺寸；
步骤7；开展0、15°、30°、45°、60°、75°和90°层状岩体单轴压缩室内试验，如图6所示，得到不同倾角下岩体单轴抗压强度和破坏模式；以不大于步骤6得到的最大可许网格尺寸为准建立相应的FDEM数值模型，验证步骤(4)-(6)所标定参数的可靠性。
以上实施例仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的层状岩体FDEM数值模拟输入参数标定方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。
Claims (9)
1.一种层状岩体FDEM数值模拟输入参数标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）钻取并加工出圆柱形水平和垂直层状标准试件，分别开展室内岩体力学试验，获得水平层状岩体的弹性模量和泊松比E、v和垂直层状岩体的弹性模量和泊松比E’和v’；
（2）将水平层状和垂直层状圆柱形标准试件，采用高强度胶水将岩样和加载板粘接，开展直接拉伸试验，获得水平和垂直层状岩体抗拉强度f t、f t’；
（3）采用立方体试件，开展水平和垂直层状不同法向压力的直接剪切试验，获得水平层状岩体的粘聚力c、内摩擦系数tanφ i，垂直层状岩体的粘聚力c’、内摩擦系数tanφ i’；
（4）建立水平和垂直层状岩体直接拉伸FDEM数值模型，岩体和加载板间的节理单元抗拉强度设为GPa级别，防止岩体和加载板之间发生拉伸断裂；采用步骤（1）得到的弹性模量、泊松比E、v、E’和v’，将水平和垂直层状岩体的抗拉强度分别设为步骤（2）得到的f t和f t’，分别得到水平和垂直层状岩体的I型断裂能G I和G I’；
（5）建立水平和垂直层状岩体FDEM数值模型，采用步骤（3）得到的粘聚力c、c’和内摩擦系数tanφ i、tanφ i’，开展直接剪切试验，获得水平和垂直层状岩体的II型断裂能G II和G II’；
（6）采用室内试验得到的宏观参数和步骤(4)、步骤(5)标定得到的断裂能，开展垂直层状岩体直接拉伸、垂直层状岩体直接剪切和水平层状岩体单轴压缩FDEM数值模拟，获得网格尺寸上限值；
所述室内试验需要获取水平层状岩体的抗拉强度f t、粘聚力c、内摩擦系数tanφ i、I型断裂能G I、II型断裂能G II和垂直层状岩体的抗拉强度f t’、粘聚力c’、内摩擦系数tanφ i’、I型断裂能G I’、II型断裂能G II’；在FDEM数值模拟中，平行于层理面的节理单元抗拉强度、粘聚力、内摩擦系数、I型断裂能和II型断裂能分别取为f t、c、tanφ i、G I和G II，垂直于层理面的节理单元抗拉强度、粘聚力、内摩擦系数、I型断裂能和II型断裂能分别取为f t’、c’、 tanφ i’、G I’和G II’，与层理面斜交的节理单元的抗拉强度、粘聚力、内摩擦系数、I型断裂能和II型断裂能采用下述公式计算：
式中，f t,γ、c γ、tanφ i,γ、G I,γ、G II,γ分别为与层理面成γ夹角的节理单元的抗拉强度、粘聚力、内摩擦系数、I型断裂能和II型断裂能；
（7）从水平层状岩体至垂直层状岩体，以15°递增，开展不同倾角岩样的室内单轴压缩试验和对应的FDEM数值模拟，将模拟值和试验值比较，验证被标参数的可靠性。
2. 根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于：所述步骤（1）中标准试件的直径为50mm，高度为100 mm。
3.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于：所述步骤（1）中室内岩体力学包括水平层状岩样单轴压缩、直接拉伸和直接剪切试验；还包括垂直层状岩样单轴压缩、直接拉伸和直接剪切试验，以及以15°递增的不同倾角的岩样单轴压缩试验。
4.根据权利要求3所述的标定方法，其特征在于：所述以15°递增的不同倾角包括0、15°、30°、45°、60°、75°和90°。
5. 根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于：所述步骤（3）中立方体试件的尺寸为140 mm×140 mm×140 mm。
6. 根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于：所述步骤（5）中层状岩体FDEM数值模型的尺寸为140 mm×140 mm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述采用垂直层状岩体直接拉伸试验、直接剪切试验和水平层状岩体单轴压缩试验标定得到最大可许网格尺寸。
8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（4）和步骤（5）的数值模型模拟中，以不大于1 mm的网格尺寸开展FDEM数值模拟。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（7）中，以步骤（6）标定得到的最大网格尺寸开展FDEM数值模拟验证。
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