CN115795828A - 基于数据驱动的裂隙岩体变形计算方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供基于数据驱动的裂隙岩体变形计算方法及装置，无需定义裂隙岩体本构模型，能够直接使用原始数据进行计算，并大幅提高岩体模拟预测的能力。基于数据驱动的裂隙岩体变形计算方法包括：步骤1，基于现场地质调查获取岩体露头及内部裂隙发育的统计分布情况，生成离散裂隙网络模型；步骤2，采用数值试验确定裂隙岩体表征单元尺寸；步骤3，通过对表征单元施加不同的均匀化应力边界条件，开展数值试验建立裂隙岩体应力‑应变数据库；步骤4，通过数据库各数据点的应力‑应变数据构造超静定方程，以最小二乘解作为平衡因子矩阵，用于数据驱动；步骤5，采用数据库、基于距离最小化数据驱动计算裂隙岩体在加卸载作用下的应力和变形。
Description
技术领域
本发明属于裂隙岩体变形技术领域，具体涉及基于数据驱动的裂隙岩体变形计算方法及装置。
背景技术
岩体在漫长的地质作用改造过程中，形成了不同规模与形态的不连续面，如层面、断层、岩脉、节理、裂隙等。结构面的存在赋予了岩体不同于其他材料的鲜明特征，即非均质性、非连续性和各向异性，这大大增加了裂隙岩体数值仿真计算的难度。
岩体工程数值仿真计算，无论是有限元、离散元、边界元等传统计算方法，还是流形元、无网格等新方法，都需要预先定义材料的本构模型和模型力学参数。对于含大量结构面的裂隙岩体介质，目前还没有公认的本构模型，常规的做法是借用固体力学的各向同性线弹性本构模型或弹塑性模型进行计算。事实上，由于裂隙岩体介质的各向异性、非均质、非连续特性，套用固体力学本构模型得到的计算结果往往与工程实际相去甚远，有时甚至出现与工程实际相违背的情况。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供基于数据驱动的裂隙岩体变形计算方法及装置，无需定义裂隙岩体本构模型，能够直接使用原始数据进行计算，大幅提高岩体模拟预测的能力，计算结果与工程实际情况更为相符。
为了实现以上目的，本发明采用了以下方案：
<方法>
如图1所示，本发明提供基于数据驱动的裂隙岩体变形计算方法，包括以下步骤：
步骤1，基于现场地质调查获取岩体露头及内部裂隙发育的统计分布情况，生成离散裂隙网络模型；
步骤2，采用数值试验确定裂隙岩体表征单元尺寸；
步骤3，通过对表征单元施加不同的均匀化应力边界条件，开展数值试验建立裂隙岩体应力-应变数据库；
步骤4，通过数据库各数据点的应力-应变数据构造超静定方程，以最小二乘解作为平衡因子矩阵，用于数据驱动；
步骤5，采用数据库、基于距离最小化数据驱动计算裂隙岩体在加卸载作用下的应力和变形。
优选地，本发明提供的基于数据驱动的裂隙岩体变形计算方法，还可以具有这样的特征，在步骤3中，对表征单元施加均匀化应力边界后，采用数值试验得到表征单元体内部岩块和裂隙的变形，然后按以下公式计算表征单元等效应变：
式中，A表示表征单元面积；Ω、Γc表示表征单元区域和裂隙边界；εij表示岩块应变，ui,uj表示裂隙位移，ni,nj表示裂隙单位法向量。
优选地，本发明提供的基于数据驱动的裂隙岩体变形计算方法，还可以具有这样的特征：在步骤4中，通过对数据库各数据点的应力-应变数据构造超静定方程，以最小二乘解作为平衡因子矩阵：
式中，idata为数据点的个数，σcl和εcl表示数值试验得到的应力-应变数据对，Cijkl为最小二乘解平衡常数矩阵。
优选地，本发明提供的基于数据驱动的裂隙岩体变形计算方法，还可以具有这样的特征：在步骤2中，当轴向等效变形模量平稳时认为达到了表征单元尺寸。
<装置>
进一步，本发明还提供了基于数据驱动的裂隙岩体变形计算装置，能够自动实现上述<方法>，包括：
模型生成部，基于现场地质调查获取岩体露头及内部裂隙发育的统计分布规律，生成离散裂隙网络模型；
尺寸确定部，采用数值试验确定裂隙岩体表征单元尺寸；
数据库建立部，通过对表征单元施加不同的均匀化应力边界条件，开展数值试验建立裂隙岩体应力-应变数据库；
方程构造部，通过数据库各数据点的应力-应变数据构造超静定方程，以最小二乘解作为平衡因子矩阵，用于数据驱动；
计算部，采用数据库、基于距离最小化数据驱动计算裂隙岩体在加卸载作用下的应力和变形；
控制部，与模型生成部、尺寸确定部、数据库建立部、方程构造部、计算部均通信相连，控制它们的运行。
优选地，本发明提供的基于数据驱动的裂隙岩体变形计算装置，还可以包括：输入显示部，与控制部通信相连，用于让用户输入操作指令，并进行相应显示。
优选地，本发明提供的基于数据驱动的裂隙岩体变形计算装置，还可以包括：输入显示部显示提示信息让操作员根据提示输入或者导入现场地质调查信息，并且能够根据相应的操作指令：基于现场地质调查信息生成相应的裂隙岩体边坡图，将模型生成部生成的离散裂隙网络模型以图示方式进行显示，将尺寸确定部确定的裂隙岩体表征单元尺寸以轴向等效变形模量图或者数据表的方式进行显示，对数据库建立部构建的裂隙岩体应力-应变数据库进行显示，对方程构造部构造的超静定方程、平衡因子矩阵进行显示，对计算部计算得到的裂隙岩体在加卸载作用下的应力和变形数据以应力等值线图位移和分布曲线图或者数据表的方式进行显示或者以动态变化模型图的方式进行显示。
优选地，本发明提供的基于数据驱动的裂隙岩体变形计算装置，还可以具有这样的特征：在数据库建立部中，对表征单元施加均匀化应力边界后，采用数值试验得到表征单元体内部岩块和裂隙的变形，然后按以下公式计算表征单元等效应变：
式中，A表示表征单元面积；Ω、Γc表示表征单元区域和裂隙边界；εij表示岩块应变，ui,uj表示裂隙位移，ni,nj表示裂隙单位法向量。
优选地，本发明提供的基于数据驱动的裂隙岩体变形计算装置，还可以具有这样的特征：在方程构造部中，通过对数据库各数据点的应力-应变数据构造超静定方程，以最小二乘解作为平衡因子矩阵：
式中，idata为数据点的个数，σcl和εcl表示数值试验得到的应力-应变数据对，Cijkl为最小二乘解平衡常数矩阵。
优选地，本发明提供的基于数据驱动的裂隙岩体变形计算装置，还可以具有这样的特征：在尺寸确定部中，当轴向等效变形模量平稳时认为达到了表征单元尺寸。
发明的作用与效果
1)本发明对于裂隙岩体这种复杂的非均质、非连续、各向异性介质，无需定义其本构关系，就可以实现其在外部加载、开挖卸载、支护加固作用下的应力-应变分析，对复杂工程地质条件下裂隙岩体边坡、地下洞室的开挖与加固设计有重要应用价值；
2)本发明生成的裂隙岩体等效应力-应变数据库，克服了采用室内试验建立裂隙岩体应力-应变数据库遭遇的尺度问题；
3)本发明直接使用应力-应变数据库驱动仿真计算，相对于传统的裂隙岩体数值仿真分析，克服了经验建模所带来的误差，因此具有更广泛的应用范围。
综上，本发明所提供的基于数据驱动的裂隙岩体变形计算方法及装置，从根本上抛去了本构方程，无需定义材料的本构，直接使用原始数据进行计算，可以大幅提高岩体模拟预测的能力，对裂隙岩体在加卸载作用下的变形分析与预测、裂隙岩体边坡、地基、地下洞室的开挖与加固设计具有重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明涉及的基于数据驱动的裂隙岩体变形计算方法的流程图；
图2为本发明实施例涉及的裂隙岩体边坡示意；图中：1—裂隙组J1；2—裂隙组J2；3—岩块；
图3为本发明实施例涉及的离散裂隙网络模型图；
图4为本发明实施例涉及的不同加载方向上的轴向等效变形模量图；
图5为本发明实施例涉及的裂隙岩体边坡计算模型图；
图6为本发明实施例涉及的裂隙岩体边坡x方向位移等值线图；
图7为本发明实施例涉及的裂隙岩体边坡y方向位移等值线图；
图8为本发明实施例涉及的裂隙岩体边坡x方向正应力等值线图；
图9为本发明实施例涉及的裂隙岩体边坡y方向正应力等值线图；
图10为本发明实施例涉及的边坡坡面水平向位移分布曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明涉及的基于数据驱动的裂隙岩体变形计算方法及装置的具体实施方案进行详细地说明。
<实施例>
如图1所示，本实施例中，采用本发明提供的基于数据驱动的裂隙岩体变形计算方法进行计算，具体步骤如下：
步骤1，如图2所示，根据现场地质调查，一裂隙岩体边坡内部分布有两组贯通裂隙，第一组裂隙J1与水平面的夹角为60°，间距为1m；第二组裂隙J2与水平面的夹角为30°，间距为3m。
根据岩体内部裂隙统计分布规律，生成离散裂隙网络模型，如图3所示。
步骤2，采用数值试验确定裂隙岩体表征单元尺寸。本实施例中，分别对边长为2m、4m、6m、8m、10m和16m的正方形研究区域(图3)，采用数值试验确定0°、30°、60°、90°、120°和150°方向轴向加载时裂隙岩体的变形模量，计算结果见图4。从图4中可以看出，当裂隙岩体尺寸增大至6m×6m及以上时，各个加载方向上的轴向变形模量均趋于平稳，认为达到了表征单元尺寸。这里当轴向等效变形模量平稳时认为达到了表征单元尺寸。考察单位面积内节理尺寸长度的波动，当一个方向上大的变形参数区域稳定，说明单位面积内的节理占比波动趋于稳定，其他变形参数也会趋于稳定。
步骤3，对6m×6m的表征单元体施加均匀化应力边界条件：σx∈[-2.8e6,1e6]，分成20段，等间距加载(Δσx＝2e5)；σy∈[-2.8e6,1e6]，分成20段，等间距加载(Δσy＝2e5)；τxy∈[-9.4e5,2e5]，分成20段，等间距加载(Δτxy＝6e4)。
针对每一次加载，采用数值试验得到表征单元体内部岩块和裂隙的变形，然后按以下公式计算表征单元等效应变。每次加载施加的应力和计算得到的等效应变输出为数据库的一个数据点，本次数值试验生成的应力-应变数据库共包含203共8000个数据点。
式中，A表示表征单元面积；Ω，ΓC表示表征单元区域和裂隙边界；εij表示岩块应变，ui,uj表示裂隙位移，ni,nj表示裂隙单位法向量。
步骤4，通过对数据库各数据点的应力-应变数据构造超静定方程，以最小二乘解作为平衡因子矩阵，
式中，idata为数据点的个数，σcl和εcl表示数值试验得到的应力-应变数据对，Cijkl为最小二乘解平衡常数矩阵。
步骤5，应用数据库进行计算：基于距离最小化数据驱动计算裂隙岩体在加卸载作用下的应力和变形。
根据现有技术建立图2所示的裂隙岩体边坡的数值计算模型，如图5所示，其中四边形单元积分采用2×2高斯节点，三角形单元为常应变单元，共包含897个物质积分点。
基于距离最小化数据驱动计算裂隙岩体边坡在自重作用下的应力和变形。距离最小化数据驱动的目标函数为：
式中，σcl和εcl表示应力-应变数据对，εkl表示变形许可应变场，σel表示静力许可应力场。Cijkl为应变空间内的平衡因子矩阵；Sijkl为应力空间内的平衡常数矩阵。
求解过程包括：i)将数据库的数据点随机赋值给边坡计算模型的物质积分点；ii)求解使目标函数取得极小值的可行解；iii)从数据库中搜索与可行解最小距离的数据点，将数据点的应力和应变赋值给积分点；iv)检查收敛性，如满足收敛条件则输出，不收敛则退回至过程ii。
采用距离最小化数据驱动计算得到的裂隙岩体边坡在自重作用下的位移场和应力场，如图6、7和图8、9所示。同时，图10给出了采用离散元数值仿真和数据驱动仿真计算得到的坡面水平向位移分布曲线，对比可知，基于本发明计算得到的边坡坡面变形曲线更为光滑，计算结果更为准确可靠。
进一步，本实施例中，还提供能够自动实现以上本发明方法的基于数据驱动的裂隙岩体变形计算装置，该装置包括模型生成部、尺寸确定部、数据库建立部、方程构造部、计算部、输入显示部、控制部。
模型生成部执行上文步骤1所描述的内容，基于现场地质调查获取岩体露头及内部裂隙发育的统计分布情况，生成离散裂隙网络模型；
尺寸确定部执行上文步骤2所描述的内容，采用数值试验确定裂隙岩体表征单元尺寸；
数据库建立部执行上文步骤3所描述的内容，通过对表征单元施加不同的均匀化应力边界条件，开展数值试验建立裂隙岩体应力-应变数据库；
方程构造部执行上文步骤4所描述的内容，通过数据库各数据点的应力-应变数据构造超静定方程，以最小二乘解作为平衡因子矩阵，用于数据驱动；
计算部执行上文步骤5所描述的内容，采用数据库、基于距离最小化数据驱动计算裂隙岩体在加卸载作用下的应力和变形；
输入显示部用于让用户输入操作指令，并进行相应显示。例如，输入显示部能够显示提示信息让操作员根据提示输入或者导入现场地质调查信息，并且输入显示部能够根据相应的操作指令：基于现场地质调查信息生成相应的裂隙岩体边坡图，将模型生成部生成的离散裂隙网络模型以图示方式进行显示，将尺寸确定部确定的裂隙岩体表征单元尺寸以轴向等效变形模量图或者数据表的方式进行显示，对数据库建立部构建的裂隙岩体应力-应变数据库进行显示，对方程构造部构造的超静定方程、平衡因子矩阵进行显示，对计算部计算得到的裂隙岩体在加卸载作用下的应力和变形数据以应力等值线图位移和分布曲线图或者数据表的方式进行显示或者以动态变化模型图的方式进行显示。
控制部与模型生成部、尺寸确定部、数据库建立部、方程构造部、计算部、输入显示部均通信相连，控制它们的运行。
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的基于数据驱动的裂隙岩体变形计算方法及装置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 (10)
1.基于数据驱动的裂隙岩体变形计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，基于现场地质调查获取岩体露头及内部裂隙发育的统计分布情况，生成离散裂隙网络模型；
步骤2，采用数值试验确定裂隙岩体表征单元尺寸；
步骤3，通过对表征单元施加不同的均匀化应力边界条件，开展数值试验建立裂隙岩体应力-应变数据库；
步骤4，通过数据库各数据点的应力-应变数据构造超静定方程，以最小二乘解作为平衡因子矩阵，用于数据驱动；
步骤5，采用数据库、基于距离最小化数据驱动计算裂隙岩体在加卸载作用下的应力和变形。
2.根据权利要求1所述的基于数据驱动的裂隙岩体变形计算方法，其特征在于：
其中，在步骤3中，对表征单元施加均匀化应力边界后，采用数值试验得到表征单元体内部岩块和裂隙的变形，然后按以下公式计算表征单元等效应变：
式中，A表示表征单元面积；Ω、Γc表示表征单元区域和裂隙边界；εij表示岩块应变，ui,uj表示裂隙位移，ni,nj表示裂隙单位法向量。
3.根据权利要求1所述的基于数据驱动的裂隙岩体变形计算方法，其特征在于：
其中，在步骤4中，通过对数据库各数据点的应力-应变数据构造超静定方程，以最小二乘解作为平衡因子矩阵：
式中，idata为数据点的个数，σcl和εcl表示数值试验得到的应力-应变数据对，Cijkl为最小二乘解平衡常数矩阵。
4.根据权利要求1所述的基于数据驱动的裂隙岩体变形计算方法，其特征在于：
其中，在步骤2中，当轴向等效变形模量平稳时认为达到了表征单元尺寸。
5.基于数据驱动的裂隙岩体变形计算装置，其特征在于，包括：
模型生成部，基于现场地质调查获取岩体露头及内部裂隙发育的统计分布情况，生成离散裂隙网络模型；
尺寸确定部，采用数值试验确定裂隙岩体表征单元尺寸；
数据库建立部，通过对表征单元施加不同的均匀化应力边界条件，开展数值试验建立裂隙岩体应力-应变数据库；
方程构造部，通过数据库各数据点的应力-应变数据构造超静定方程，以最小二乘解作为平衡因子矩阵，用于数据驱动；
计算部，采用数据库、基于距离最小化数据驱动计算裂隙岩体在加卸载作用下的应力和变形；
控制部，与所述模型生成部、所述尺寸确定部、所述数据库建立部、所述方程构造部、所述计算部均通信相连，控制它们的运行。
6.根据权利要求5所述的基于数据驱动的裂隙岩体变形计算装置，其特征在于，还包括：
输入显示部，与所述控制部通信相连，用于让用户输入操作指令，并进行相应显示。
7.根据权利要求6所述的基于数据驱动的裂隙岩体变形计算装置，其特征在于：
其中，所述输入显示部显示提示信息让操作员根据提示输入或者导入现场地质调查信息，并且能够根据相应的操作指令：基于现场地质调查信息生成相应的裂隙岩体边坡图，将所述模型生成部生成的离散裂隙网络模型以图示方式进行显示，将所述尺寸确定部确定的裂隙岩体表征单元尺寸以轴向等效变形模量图或者数据表的方式进行显示，对所述数据库建立部构建的裂隙岩体应力-应变数据库进行显示，对所述方程构造部构造的超静定方程、平衡因子矩阵进行显示，对所述计算部计算得到的裂隙岩体在加卸载作用下的应力和变形数据以应力等值线图位移和分布曲线图或者数据表的方式进行显示或者以动态变化模型图的方式进行显示。
8.根据权利要求5所述的基于数据驱动的裂隙岩体变形计算装置，其特征在于：
其中，在所述数据库建立部中，对表征单元施加均匀化应力边界后，采用数值试验得到表征单元体内部岩块和裂隙的变形，然后按以下公式计算表征单元等效应变：
式中，A表示表征单元面积；Ω、Γc表示表征单元区域和裂隙边界；εij表示岩块应变，ui,uj表示裂隙位移，ni,nj表示裂隙单位法向量。
9.根据权利要求5所述的基于数据驱动的裂隙岩体变形计算装置，其特征在于：
其中，在所述方程构造部中，通过对数据库各数据点的应力-应变数据构造超静定方程，以最小二乘解作为平衡因子矩阵：
式中，idata为数据点的个数，σcl和εcl表示数值试验得到的应力-应变数据对，Cijkl为最小二乘解平衡常数矩阵。
10.根据权利要求5所述的基于数据驱动的裂隙岩体变形计算装置，其特征在于：
其中，在所述尺寸确定部中，当轴向等效变形模量平稳时认为达到了表征单元尺寸。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115795828B (zh) | 2024-03-19 |
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