CN115983052B - 一种适用于flac3d中多密度岩层条件下的初始应力生成方法 - Google Patents

一种适用于flac3d中多密度岩层条件下的初始应力生成方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115983052B
CN115983052B CN202310272779.1A CN202310272779A CN115983052B CN 115983052 B CN115983052 B CN 115983052B CN 202310272779 A CN202310272779 A CN 202310272779A CN 115983052 B CN115983052 B CN 115983052B
Authority
CN
China
Prior art keywords
axis direction
stress
layer
along
formula
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202310272779.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115983052A (zh
Inventor
陈见行
王世纪
赵仪强
刘磊
曾班全
孙国新
张俊文
杨胜利
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Original Assignee
China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China University of Mining and Technology Beijing CUMTB filed Critical China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Priority to CN202310272779.1A priority Critical patent/CN115983052B/zh
Publication of CN115983052A publication Critical patent/CN115983052A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115983052B publication Critical patent/CN115983052B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
  • Investigation Of Foundation Soil And Reinforcement Of Foundation Soil By Compacting Or Drainage (AREA)

Abstract

本发明属于矿山数值模拟领域，具体涉及一种适用于FLAC3D中多密度岩层条件下的初始应力生成方法。本发明给出了一种多密度岩层条件下各岩层铅直应力、水平应力及相应梯度的直接计算求解方法；通过initial命令对整个模型中各岩层的铅直应力初始值及水平应力初始值进行设置，并利用gradient关键字对梯度进行设置，从而让整个模型在自动求解之前便已经实现了铅直应力和水平应力的初始化；利用该方法对FLAC3D内的模型进行初始应力设置后，进行自动求解时可以迅速获得整个模型的初始应力平衡，降低整个模型的平均不平衡力比率；本发明提出的方法可以显著加速模型的收敛，有效提高整个模型的计算效率、收敛稳定程度。

Description

一种适用于FLAC3D中多密度岩层条件下的初始应力生成方法
技术领域
本发明属于矿山数值模拟领域，具体涉及一种适用于FLAC3D中多密度岩层条件下的初始应力生成方法。
背景技术
FLAC3D是矿山数值模拟领域中常用的计算工具，具有建模方便、能够使用各种不同的力学模型、可以按照时间步方式进行迭代计算等诸多优点，在矿山开采及巷道支护计算中发挥着至关重要的作用。
为了使用FLAC3D对矿山工程案例进行计算，用户首先需要使用FLAC3D对矿山工程案例进行三维建模，随后根据矿山工程案例的情况设置相应的本构模型、材料参数、边界条件和初始条件。之后，用户对计算方式进行设置后，便可以开始计算以获得整个模型的初始应力平衡。
但采用这种方式获得模型初始应力平衡需要经过大量的时间步以完成迭代计算，这往往需要大量时间。而且当模型内部含有多层密度不同的矿山岩层时，采用这种方式进行计算往往需要很长一段时间才能获得初始应力平衡。
由于后续开挖及分析均以初始应力平衡为前提，因此如果在获取初始应力平衡阶段时花费太多的时间会严重制约后续计算工作的进展。因此，提出一种能够适用于FLAC3D中多密度岩层条件下的初始应力生成方法对加速实现初始应力平衡具有积极意义。此外，这能够直接加速后续计算工作的开展，从而对整个计算工作的完成具有显著意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于FLAC3D中多密度岩层条件下的初始应力生成方法。该方法改善了现有FLAC3D中初始应力的生成方式，能够有效加速FLAC3D中初始应力的生成速度。这直接加速实现了FLAC3D中的初始应力平衡，显著提高了整个模型的计算效率。
本发明采用如下技术方案，提供一种适用于FLAC3D中多密度岩层条件下的初始应力生成方法，包括：在FLAC3D中创建三维多层岩层模型且每层岩层分配不同组名；设置岩层的本构模型、材料参数和密度；设置整个模型的重力加速度；设置模型的边界条件；计算各岩层铅直应力和水平应力的梯度；计算各岩层铅直应力和水平应力的初始值；对各岩层赋初始应力；对整个模型进行自动求解。
作为上述技术方案的进一步描述：
创建三维多层岩层模型时，坐标系规定如下：Z轴代表铅直方向，X轴和Y轴代表水平方向，X轴、Y轴和Z轴之间两两正交。
作为上述技术方案的进一步描述：
创建三维多层岩层模型时，整个模型顶部平面的Z坐标值为0；创建三维多层岩层模型时使用size命令对模型进行单元体划分，并使用group命令对每层岩层设置不同组名。
作为上述技术方案的进一步描述：
创建三维多层岩层模型后，沿铅直方向从上至下对每层岩层进行标号，最顶层岩层标记为第1层，向下依次为第2层、第3层等；设定岩层总数为n，则最底层的岩层标记为第n层。
作为上述技术方案的进一步描述：
为岩层设置材料参数时，材料参数的类型与所设置的本构模型相对应；此外，每层岩层的密度不同。
作为上述技术方案的进一步描述：
所设置的重力加速度沿水平方向的分量为0，沿铅直方向的分量为10m/s2且指向下方。
作为上述技术方案的进一步描述：
所设置的模型边界条件中，模型的前、后、左、右、底均为滚筒支撑，模型的顶部边界为压应力边界，该压应力边界具体为：在模型顶部施加一铅直向下的法向应力。
作为上述技术方案的进一步描述：
在计算各岩层铅直应力梯度时，采用预定第一公式、预定第二公式和预定第三公式计算：
其中：所述预定第一公式为
Figure SMS_1
；所述预定第二公式为/>
Figure SMS_2
；所述预定第三公式为/>
Figure SMS_3
；公式中，/>
Figure SMS_4
为第i层岩层铅直应力沿X轴方向的梯度；/>
Figure SMS_5
为第i层岩层铅直应力沿Y轴方向的梯度；/>
Figure SMS_6
为第i层岩层铅直应力沿Z轴方向的梯度；/>
Figure SMS_7
为第i层岩层的密度；g为重力加速度，取值为10m/s2。
作为上述技术方案的进一步描述：
在计算各岩层水平应力梯度时，沿X轴方向水平应力的梯度采用预定第四公式、预定第五公式和预定第六公式计算：
其中：所述预定第四公式为
Figure SMS_8
；所述预定第五公式为/>
Figure SMS_9
；所述预定第六公式为/>
Figure SMS_10
；公式中，/>
Figure SMS_11
为第i层岩层沿X轴方向水平应力平行于X轴方向的梯度；/>
Figure SMS_12
为第i层岩层沿X轴方向水平应力平行于Y轴方向的梯度；/>
Figure SMS_13
为第i层岩层沿X轴方向水平应力平行于Z轴方向的梯度；/>
Figure SMS_14
为沿X轴方向水平应力的侧压系数。
作为上述技术方案的进一步描述：
在计算各岩层水平应力梯度时，沿Y轴方向水平应力的梯度采用预定第七公式、预定第八公式和预定第九公式计算：
其中：所述预定第七公式为
Figure SMS_15
；所述预定第八公式为/>
Figure SMS_16
；所述预定第九公式为/>
Figure SMS_17
；公式中，/>
Figure SMS_18
为第i层岩层沿Y轴方向水平应力平行于X轴方向的梯度；/>
Figure SMS_19
为第i层岩层沿Y轴方向水平应力平行于Y轴方向的梯度；/>
Figure SMS_20
为第i层岩层沿Y轴方向水平应力平行于Z轴方向的梯度；/>
Figure SMS_21
为沿Y轴方向水平应力的侧压系数。
作为上述技术方案的进一步描述：
在计算最顶层岩层铅直应力初始值时，采用预定第十公式计算；在计算最顶层岩层沿X轴方向水平应力初始值时，采用预定第十一公式计算；在计算最顶层岩层沿Y轴方向水平应力初始值时，采用预定第十二公式计算；
其中：所述预定第十公式为
Figure SMS_22
；所述预定第十一公式为/>
Figure SMS_23
；所述预定第十二公式为/>
Figure SMS_24
；公式中，/>
Figure SMS_25
为最顶层岩层铅直应力初始值；/>
Figure SMS_26
为模型顶部施加的铅直向下的法向应力，其方向规则为：拉伸为正，压缩为负；/>
Figure SMS_27
为最顶层岩层沿X轴方向水平应力的初始值；/>
Figure SMS_28
为最顶层岩层沿Y轴方向水平应力的初始值。
作为上述技术方案的进一步描述：
在计算中间层岩层铅直应力初始值时，即第2层至第n-1层岩层，采用预定第十三公式计算；在计算中间层岩层沿X轴方向水平应力初始值时，采用预定第十四公式计算；在计算中间层岩层沿Y轴方向水平应力初始值时，采用预定第十五公式计算；
其中，所述预定第十三公式为
Figure SMS_30
；所述预定第十四公式为
Figure SMS_32
；所述预定第十五公式为/>
Figure SMS_33
；公式中，/>
Figure SMS_34
为第i层岩层铅直应力初始值；/>
Figure SMS_35
为第i-1层岩层铅直应力初始值；/>
Figure SMS_36
为第i-1层岩层的密度；/>
Figure SMS_37
为第i层岩层顶部平面的Z坐标值；/>
Figure SMS_29
为第i层岩层沿X轴方向水平应力的初始值；/>
Figure SMS_31
为第i层岩层沿Y轴方向水平应力的初始值。
作为上述技术方案的进一步描述：
在计算最底层岩层铅直应力初始值时，采用预定第十六公式计算；在计算最底层岩层沿X轴方向水平应力初始值时，采用预定第十七公式计算；在计算最底层岩层沿Y轴方向水平应力初始值时，采用预定第十八公式计算；
其中：所述预定第十六公式为
Figure SMS_39
；所述预定第十七公式为/>
Figure SMS_40
；所述预定第十八公式为/>
Figure SMS_41
；公式中，/>
Figure SMS_42
为最底层岩层铅直应力初始值；/>
Figure SMS_43
为第i层岩层的厚度；/>
Figure SMS_44
为第n层岩层的密度；/>
Figure SMS_45
为最底层岩层沿X轴方向水平应力初始值；/>
Figure SMS_38
为最底层岩层沿Y轴方向水平应力初始值。
作为上述技术方案的进一步描述：
根据计算结果，利用initial命令对各岩层铅直应力初始值赋值，并利用gradient关键字对各岩层铅直应力平行于X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的梯度进行设置。
作为上述技术方案的进一步描述：
根据计算结果，利用initial命令对各岩层沿X轴方向水平应力初始值赋值，并利用gradient关键字对各岩层沿X轴方向水平应力平行于X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的梯度进行设置。
作为上述技术方案的进一步描述：
根据计算结果，利用initial命令对各岩层沿Y轴方向水平应力初始值赋值，并利用gradient关键字对各岩层沿Y轴方向水平应力平行于X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的梯度进行设置。
作为上述技术方案的进一步描述：
采用solve命令对整个模型进行自动求解，直至整个模型的平均不平衡力比率小于等于1×10-5。
本发明的有益效果主要包括以下方面：
1.给出了多密度岩层条件下各岩层铅直应力、水平应力及相应梯度的计算方法，利用该方法可以直接计算求解得到各岩层铅直应力初始值、水平应力初始值及相应梯度；
2.利用initial命令对整个模型中各岩层的铅直应力初始值及水平应力初始值进行设置，并利用gradient关键字对梯度进行设置，从而让整个模型在自动求解之前便已经实现了铅直应力和水平应力的初始化；
3.计算得到的铅直应力和水平应力与模型自身重力压实后产生的铅直应力和水平应力相匹配，从而可以满足模型初始应力与模型重力的匹配；
4.利用该方法对FLAC3D内的模型进行初始应力设置后，进行自动求解时可以迅速获得整个模型的初始应力平衡，与传统采用迭代计算方法获得初始应力平衡的方式相比，本发明提出的方法可以显著加速模型的收敛，有效提高整个模型的计算效率，从而为后续计算工作的开展节省了大量时间。
5.利用本发明提出的方法对FLAC3D内的模型进行初始应力设置后，进行自动求解并获得初始应力平衡后，整个模型的平均不平衡力比率显著低于采用传统迭代计算方法后获得的不平衡力比率；平均不平衡力比率越低，整个模型的收敛稳定程度越高。所以采用本发明提出的方法，整个模型的收敛稳定程度显著高于传统迭代计算方法获得的收敛稳定程度。
附图说明
构成本申请的一部分附图用来提供对本发明的进一步理解，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明中计算各岩层初始应力过程的流程图。
图2是三维多密度岩层的几何模型示意图。
图3是传统迭代计算方法获得初始应力平衡后测线上的铅直应力数据分布状态。
图4是本发明方法获得初始应力平衡后测线上的铅直应力数据分布状态。
具体实施方式
如图1所示，本发明所述一种适用于FLAC3D中多密度岩层条件下的初始应力生成方法，包括：在FLAC3D中创建三维多层岩层模型且每层岩层分配不同组名；设置岩层的本构模型、材料参数和密度；设置整个模型的重力加速度；设置模型的边界条件；计算各岩层铅直应力和水平应力的梯度；计算各岩层铅直应力和水平应力的初始值；对各岩层赋初始应力；对整个模型进行自动求解。
在一具体实施例中：
创建三维多层岩层模型时，坐标系规定如下：Z轴代表铅直方向，X轴和Y轴代表水平方向，X轴、Y轴和Z轴之间两两正交。
在一具体实施例中：
创建三维多层岩层模型时，整个模型顶部平面的Z坐标值为0；创建三维多层岩层模型时使用size命令对模型进行单元体划分，并使用group命令对每层岩层设置不同组名。
在一具体实施例中：
创建三维多层岩层模型后，沿铅直方向从上至下对每层岩层进行标号，最顶层岩层标记为第1层，向下依次为第2层、第3层等；设定岩层总数为n，则最底层的岩层标记为第n层。
在一具体实施例中：
为岩层设置材料参数时，材料参数的类型与所设置的本构模型相对应；此外，每层岩层的密度不同。
在一具体实施例中：
所设置的重力加速度沿水平方向的分量为0，沿铅直方向的分量为10m/s2且指向下方。
在一具体实施例中：
所设置的模型边界条件中，模型的前、后、左、右、底均为滚筒支撑，模型的顶部边界为压应力边界，该压应力边界具体为：在模型顶部施加一铅直向下的法向应力。
在一具体实施例中：
在计算各岩层铅直应力梯度时，采用预定第一公式、预定第二公式和预定第三公式计算：
其中：所述预定第一公式为
Figure SMS_46
；所述预定第二公式为/>
Figure SMS_47
；所述预定第三公式为/>
Figure SMS_48
；公式中，/>
Figure SMS_49
为第i层岩层铅直应力沿X轴方向的梯度；/>
Figure SMS_50
为第i层岩层铅直应力沿Y轴方向的梯度；/>
Figure SMS_51
为第i层岩层铅直应力沿Z轴方向的梯度；/>
Figure SMS_52
为第i层岩层的密度；g为重力加速度，取值为10m/s2。
在一具体实施例中：
在计算各岩层水平应力梯度时，沿X轴方向水平应力的梯度采用预定第四公式、预定第五公式和预定第六公式计算：
其中：所述预定第四公式为
Figure SMS_53
；所述预定第五公式为/>
Figure SMS_54
；所述预定第六公式为/>
Figure SMS_55
；公式中，/>
Figure SMS_56
为第i层岩层沿X轴方向水平应力平行于X轴方向的梯度；/>
Figure SMS_57
为第i层岩层沿X轴方向水平应力平行于Y轴方向的梯度；/>
Figure SMS_58
为第i层岩层沿X轴方向水平应力平行于Z轴方向的梯度；/>
Figure SMS_59
为沿X轴方向水平应力的侧压系数。
在一具体实施例中：
在计算各岩层水平应力梯度时，沿Y轴方向水平应力的梯度采用预定第七公式、预定第八公式和预定第九公式计算：
其中：所述预定第七公式为
Figure SMS_60
；所述预定第八公式为/>
Figure SMS_61
；所述预定第九公式为/>
Figure SMS_62
；公式中，/>
Figure SMS_63
为第i层岩层沿Y轴方向水平应力平行于X轴方向的梯度；/>
Figure SMS_64
为第i层岩层沿Y轴方向水平应力平行于Y轴方向的梯度；/>
Figure SMS_65
为第i层岩层沿Y轴方向水平应力平行于Z轴方向的梯度；/>
Figure SMS_66
为沿Y轴方向水平应力的侧压系数。
在一具体实施例中：
在计算最顶层岩层铅直应力初始值时，采用预定第十公式计算；在计算最顶层岩层沿X轴方向水平应力初始值时，采用预定第十一公式计算；在计算最顶层岩层沿Y轴方向水平应力初始值时，采用预定第十二公式计算；
其中：所述预定第十公式为
Figure SMS_67
；所述预定第十一公式为/>
Figure SMS_68
；所述预定第十二公式为/>
Figure SMS_69
；公式中，/>
Figure SMS_70
为最顶层岩层铅直应力初始值；/>
Figure SMS_71
为模型顶部施加的铅直向下的法向应力，其方向规则为：拉伸为正，压缩为负；/>
Figure SMS_72
为最顶层岩层沿X轴方向水平应力的初始值；/>
Figure SMS_73
为最顶层岩层沿Y轴方向水平应力的初始值。
在一具体实施例中：
在计算中间层岩层铅直应力初始值时，即第2层至第n-1层岩层，采用预定第十三公式计算；在计算中间层岩层沿X轴方向水平应力初始值时，采用预定第十四公式计算；在计算中间层岩层沿Y轴方向水平应力初始值时，采用预定第十五公式计算；
其中，所述预定第十三公式为
Figure SMS_75
；所述预定第十四公式为
Figure SMS_77
；所述预定第十五公式为/>
Figure SMS_78
；公式中，/>
Figure SMS_79
为第i层岩层铅直应力初始值；/>
Figure SMS_80
为第i-1层岩层铅直应力初始值；/>
Figure SMS_81
为第i-1层岩层的密度；/>
Figure SMS_82
为第i层岩层顶部平面的Z坐标值；/>
Figure SMS_74
为第i层岩层沿X轴方向水平应力的初始值；/>
Figure SMS_76
为第i层岩层沿Y轴方向水平应力的初始值。
在一具体实施例中：
在计算最底层岩层铅直应力初始值时，采用预定第十六公式计算；在计算最底层岩层沿X轴方向水平应力初始值时，采用预定第十七公式计算；在计算最底层岩层沿Y轴方向水平应力初始值时，采用预定第十八公式计算；
其中：所述预定第十六公式为
Figure SMS_84
；所述预定第十七公式为/>
Figure SMS_85
；所述预定第十八公式为/>
Figure SMS_86
；公式中，/>
Figure SMS_87
为最底层岩层铅直应力初始值；/>
Figure SMS_88
为第i层岩层的厚度；/>
Figure SMS_89
为第n层岩层的密度；/>
Figure SMS_90
为最底层岩层沿X轴方向水平应力初始值；/>
Figure SMS_83
为最底层岩层沿Y轴方向水平应力初始值。
在一具体实施例中：
根据计算结果，利用initial命令对各岩层铅直应力初始值赋值，并利用gradient关键字对各岩层铅直应力平行于X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的梯度进行设置。
在一具体实施例中：
根据计算结果，利用initial命令对各岩层沿X轴方向水平应力初始值赋值，并利用gradient关键字对各岩层沿X轴方向水平应力平行于X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的梯度进行设置。
在一具体实施例中：
根据计算结果，利用initial命令对各岩层沿Y轴方向水平应力初始值赋值，并利用gradient关键字对各岩层沿Y轴方向水平应力平行于X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的梯度进行设置。
在一具体实施例中：
采用solve命令对整个模型进行自动求解，直至整个模型的平均不平衡力比率小于等于1×10-5。
在具体使用时，如图1所示，首先在FLAC3D内创建三维多层岩层模型并对每层岩层分配不同组名，随后对各层岩层设置本构模型、材料参数和密度，之后对整个模型设置重力加速度；在然后对整个模型设置边界条件，计算各岩层铅直应力和水平应力的梯度；随后，计算各岩层铅直应力和水平应力的初始值，并对各岩层赋初始应力；最后，对整个模型进行自动求解。
为了验证本发明的有效性，利用FLAC3D创建一个三维的多密度岩层模型，其几何模型示意图如图2所示。分别采用传统迭代计算方法和本发明提出的方法获得该模型的初始应力平衡。随后，将两种方法获得的初始应力平衡状态、时间步数和平均不平衡力比率等结果进行比较，以检验本发明的有效性和优越性。
在矿山开采领域中，常常构建五层岩层模型，即基本顶、直接顶、煤层、直接底和基本底。因此，在FLAC3D中创建一个三维的五层岩层模型，从上至下五层岩层的组名分别是main roof、immediate roof、coal、immediate floor和main floor。五层岩层的长度和宽度均为100m，从上至下的厚度分别是10m、5m、6m、8m和10m。沿着X轴方向和Y轴方向每隔0.5m划分一个网格，沿着Z轴方向每隔1m划分一个网格。对五层岩层均设置为弹性模型，并设置杨氏模量为20GPa，设置泊松比为0.25。五层岩层的密度分别为2300kg/m3、2500kg/m3、1400kg/m3、2700kg/m3和2100kg/m3。设置模型的重力加速度为10m/s2且沿着铅直方向指向下方。对整个模型前、后、左、右和底均设置滚筒支撑边界条件。对整个模型顶部施加一个大小为10MPa且指向下方的压应力。首先采用传统迭代计算方法获得初始应力平衡。在获得初始应力平衡后，整个模型内部铅直应力最小值为10.01MPa，铅直应力最大值为10.85MPa。达到初始应力平衡所需要的时间步数为4427步，达到初始应力平衡时整个模型平均不平衡力比率为9.9969×10-6。
此外，针对该模型，利用本发明提出的方法分别计算从上至下五层岩层铅直应力沿X轴方向的梯度为0；铅直应力沿Y轴方向的梯度为0；铅直应力沿Z轴方向的梯度分别为23kPa/m、25kPa/m、14kPa/m、27kPa/m、21kPa/m。从上至下五层岩层沿X轴方向水平应力平行于X轴方向的梯度为0；沿X轴方向水平应力平行于Y轴方向的梯度为0；沿X轴方向水平应力平行于Z轴方向的梯度分别为13.8kPa/m、15kPa/m、8.4kPa/m、16.2kPa/m、12.6kPa/m。从上至下五层岩层沿Y轴方向水平应力平行于X轴方向的梯度为0；沿Y轴方向水平应力平行于Y轴方向的梯度为0；沿Y轴方向水平应力平行于Z轴方向的梯度分别为6.9kPa/m、7.5kPa/m、4.2kPa/m、8.1kPa/m、6.3kPa/m。
采用本发明提出的方法分别计算从上至下五层岩层铅直应力初始值分别为-10MPa、-9.98MPa、-10.145MPa、-9.872MPa、-10.046MPa；从上至下五层岩层沿X轴方向水平应力初始值分别为-6MPa、-5.998MPa、-6.087MPa、-5.9232MPa、-6.0267MPa；从上至下五层岩层沿Y轴方向水平应力初始值分别为-3MPa、-2.994MPa、-3.0435MPa、-2.9616MPa、-3.0138MPa。
整个计算过程使用Excel完成，将公式输入Excel并使用鼠标拖拽便可以快速得到各层岩层计算结果。将计算结果利用initial命令配合gradient关键字输入到FLAC3D内。随后，对整个模型进行自动求解，发现获得初始应力平衡后，整个模型内部铅直应力最小值为10.01MPa，铅直应力最大值为10.86MPa。达到初始应力平衡所需要的时间步数为1步，达到初始应力平衡时整个模型平均不平衡力比率为1.3174×10-17。
传统迭代计算方法和本发明提出的方法计算结果对比如表1所示。可以看出，利用本发明提出的方法与传统迭代计算方法得到的模型内部铅直应力数据几乎相同，证明本发明提出的方法可以得到有效的初始应力数据。但传统迭代计算方法需要大量的时间步，而本发明提出的方法仅需1个时间步就可以完成计算，大大提升了计算效率。此外，本发明提出的方法计算得到的平均不平衡力比率为1.3174×10-17，远远小于传统迭代计算方法得到的平均不平衡力比率。平均不平衡力比率越小，模型的初始应力平衡收敛状态程度越高。因此，采用本发明提出的方法得到的模型初始应力平衡收敛状态显著高于传统迭代计算方法获得的初始应力平衡收敛状态。
表1 传统迭代计算方法和本发明提出的方法计算结果对比
Figure SMS_91
此外，为了进一步检验本发明的有效性，从模型顶部至模型底部布置一条铅直测线并提出测线上的铅直应力数据。将传统迭代计算方法和本发明提出的方法分别获得初始应力平衡后测线上的数据进行比较，如图3和图4所示。可以看出，传统迭代计算方法和本发明提出的方法获得的铅直应力分布规律几乎一致，再次检验了本发明提出的方法的有效性。但本发明的计算效率显著大于传统迭代计算方法，因此，本发明的优越性更强。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其它各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于FLAC3D中多密度岩层条件下的初始应力生成方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：在FLAC3D中创建三维多层岩层模型且每层岩层分配不同组名，模型中Z轴代表铅直方向，X轴和Y轴代表水平方向，X轴、Y轴和Z轴之间两两正交；沿铅直方向从上至下对每层岩层进行标号，最顶层岩层标记为第1层，向下依次为第2层、第3层，直至最底层的第n层；S2：设置岩层的本构模型、材料参数和密度；S3：设置整个模型的重力加速度；S4：设置模型的边界条件；
S5：采用预定第一公式
Figure QLYQS_1
、预定第二公式/>
Figure QLYQS_2
、预定第三公式/>
Figure QLYQS_3
计算各岩层铅直应力梯度，公式中，/>
Figure QLYQS_4
为第i层岩层铅直应力沿X轴方向的梯度，/>
Figure QLYQS_5
为第i层岩层铅直应力沿Y轴方向的梯度，/>
Figure QLYQS_6
为第i层岩层铅直应力沿Z轴方向的梯度；/>
Figure QLYQS_7
为第i层岩层的密度；g为重力加速度；
采用预定第四公式
Figure QLYQS_8
、预定第五公式为/>
Figure QLYQS_9
、预定第六公式为/>
Figure QLYQS_10
计算各岩层沿X轴方向水平应力的梯度，公式中，/>
Figure QLYQS_11
为第i层岩层沿X轴方向水平应力平行于X轴方向的梯度，/>
Figure QLYQS_12
为第i层岩层沿X轴方向水平应力平行于Y轴方向的梯度，/>
Figure QLYQS_13
为第i层岩层沿X轴方向水平应力平行于Z轴方向的梯度，/>
Figure QLYQS_14
为沿X轴方向水平应力的侧压系数；
采用预定第七公式
Figure QLYQS_15
、预定第八公式/>
Figure QLYQS_16
、预定第九公式/>
Figure QLYQS_17
计算各岩层沿Y轴方向水平应力的梯度，公式中，/>
Figure QLYQS_18
为第i层岩层沿Y轴方向水平应力平行于X轴方向的梯度，/>
Figure QLYQS_19
为第i层岩层沿Y轴方向水平应力平行于Y轴方向的梯度，/>
Figure QLYQS_20
为第i层岩层沿Y轴方向水平应力平行于Z轴方向的梯度，/>
Figure QLYQS_21
为沿Y轴方向水平应力的侧压系数；
S6：采用预定第十公式
Figure QLYQS_22
计算最顶层岩层铅直应力初始值，采用预定第十一公式/>
Figure QLYQS_23
计算最顶层岩层沿X轴方向水平应力初始值，采用预定第十二公式
Figure QLYQS_24
计算最顶层岩层沿Y轴方向水平应力初始值，公式中，/>
Figure QLYQS_25
为最顶层岩层铅直应力初始值，/>
Figure QLYQS_26
为模型顶部施加的铅直向下的法向应力，其方向规则为：拉伸为正，压缩为负；/>
Figure QLYQS_27
为最顶层岩层沿X轴方向水平应力的初始值；/>
Figure QLYQS_28
为最顶层岩层沿Y轴方向水平应力的初始值；
采用预定第十三公式
Figure QLYQS_30
计算中间层岩层铅直应力初始值，采用预定第十四公式/>
Figure QLYQS_32
计算中间层岩层沿X轴方向水平应力初始值，采用预定第十五公式/>
Figure QLYQS_33
计算中间层岩层沿Y轴方向水平应力初始值，公式中，/>
Figure QLYQS_34
为第i层岩层铅直应力初始值，/>
Figure QLYQS_35
为第i-1层岩层铅直应力初始值，/>
Figure QLYQS_36
为第i-1层岩层的密度，/>
Figure QLYQS_37
为第i层岩层顶部平面的Z坐标值，/>
Figure QLYQS_29
为第i层岩层沿X轴方向水平应力的初始值，/>
Figure QLYQS_31
为第i层岩层沿Y轴方向水平应力的初始值；/>
采用预定第十六公式
Figure QLYQS_39
计算最底层岩层铅直应力初始值，采用预定第十七公式/>
Figure QLYQS_40
计算最底层岩层沿X轴方向水平应力初始值，采用预定第十八公式/>
Figure QLYQS_41
计算最底层岩层沿Y轴方向水平应力初始值，公式中，/>
Figure QLYQS_42
为最底层岩层铅直应力初始值，/>
Figure QLYQS_43
为第i层岩层的厚度，/>
Figure QLYQS_44
为第n层岩层的密度，
Figure QLYQS_45
为最底层岩层沿X轴方向水平应力初始值，/>
Figure QLYQS_38
为最底层岩层沿Y轴方向水平应力初始值；
S7：对各岩层赋初始应力；S8：对整个模型进行自动求解。
2.根据权利要求1所述的初始应力生成方法，其特征在于，步骤S1中，模型顶部平面的Z坐标值为0，使用size命令对模型进行单元体划分，并使用group命令对每层岩层设置不同组名。
3.根据权利要求1所述的初始应力生成方法，其特征在于，步骤S3中，重力加速度沿水平方向的分量为0，沿铅直方向的分量为10m/s2且指向下方。
4.根据权利要求1所述的初始应力生成方法，其特征在于，步骤S4中，模型的前、后、左、右、底均为滚筒支撑，模型的顶部边界为压应力边界。
5.根据权利要求1所述的初始应力生成方法，其特征在于，步骤S7中，利用initial命令对各岩层铅直应力初始值赋值，并利用gradient关键字对各岩层铅直应力平行于X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的梯度进行设置；利用initial命令对各岩层沿X轴方向水平应力初始值赋值，并利用gradient关键字对各岩层沿X轴方向水平应力平行于X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的梯度进行设置；利用initial命令对各岩层沿Y轴方向水平应力初始值赋值，并利用gradient关键字对各岩层沿Y轴方向水平应力平行于X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的梯度进行设置。
6.根据权利要求5述的初始应力生成方法，其特征在于，步骤S8中，采用solve命令对整个模型进行自动求解，直至整个模型的平均不平衡力比率≤1×10-5。
CN202310272779.1A 2023-03-21 2023-03-21 一种适用于flac3d中多密度岩层条件下的初始应力生成方法 Active CN115983052B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310272779.1A CN115983052B (zh) 2023-03-21 2023-03-21 一种适用于flac3d中多密度岩层条件下的初始应力生成方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310272779.1A CN115983052B (zh) 2023-03-21 2023-03-21 一种适用于flac3d中多密度岩层条件下的初始应力生成方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115983052A CN115983052A (zh) 2023-04-18
CN115983052B true CN115983052B (zh) 2023-05-23

Family

ID=85958598

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310272779.1A Active CN115983052B (zh) 2023-03-21 2023-03-21 一种适用于flac3d中多密度岩层条件下的初始应力生成方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115983052B (zh)

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106485015B (zh) * 2016-10-20 2019-04-02 辽宁工程技术大学 一种矿井断层影响范围的确定方法
CN111324939A (zh) * 2018-12-14 2020-06-23 江西省煤田地质局二二四地质队 一种基于flac3d数值模拟矿产开采的地表下沉量预算方法
CN111553101B (zh) * 2020-04-29 2023-05-26 中国十七冶集团有限公司 一种隧道开挖上覆岩层开裂预报方法及围岩支护方法
CN111794732B (zh) * 2020-05-22 2022-01-28 中国科学院武汉岩土力学研究所 一种断层破碎带软岩地应力估算方法
CN112613210B (zh) * 2020-12-19 2021-11-12 中国科学院武汉岩土力学研究所 盾构地铁隧道岩层-衬砌受力变形的数值求解方法
CN113901681B (zh) * 2021-09-22 2022-09-09 中国石油大学(华东) 一种全寿命周期页岩气储层双甜点三维可压性评估方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN115983052A (zh) 2023-04-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2020006818A1 (zh) 一种煤岩体分区注水渗流-损伤-应力耦合数值模拟方法
Wang et al. A three-dimensional thermo-hydro-mechanical coupled model for enhanced geothermal systems (EGS) embedded with discrete fracture networks
CN109933939B (zh) 非常规双重介质储层多裂缝起裂与扩展的数值模拟方法
US10503149B2 (en) System, method, and computer program for creating united cellular lattice structure
CN109933860A (zh) 页岩气压裂水平井簇间距优化方法
CN106227957A (zh) 等效裂缝建模的方法
CN115983052B (zh) 一种适用于flac3d中多密度岩层条件下的初始应力生成方法
CN114547953B (zh) 一种基于优化设计图版的压裂施工参数优化方法及系统
CN112487517B (zh) 浅埋盾构隧道围岩压力的二维数值求解方法
CN112613210B (zh) 盾构地铁隧道岩层-衬砌受力变形的数值求解方法
CN107315868A (zh) 一种基于Revit二次开发的基坑工程稳定性的设计方法及系统
CN109558614B (zh) 页岩气藏多尺度裂缝内气体流动的模拟方法及系统
CN110863818A (zh) 一种剩余油/气分布的描述方法及装置
CN105931287A (zh) 基于半导体工艺的三维虚拟形状建模方法
Davidson et al. A technique for predicting mode I energy release rates using a first-order shear deformable plate theory
CN108731561A (zh) 一种炮孔装药量自动计算方法
CN107679334A (zh) 一种变厚度复合材料层压板有限元建模方法
CN107609314A (zh) 建筑结构‑抗震支吊架耦合计算模型建立方法及抗震支吊架的抗震设计方法
CN115099092B (zh) 基于三维建模的尾矿库渗流计算方法
CN115828472A (zh) 一种用于模拟滚磨光整加工工件表面残余应力的方法
CN112377184B (zh) 串珠状缝洞型碳酸盐岩储层物性参数分析方法及装置
CN115034161A (zh) 稳定三维水力裂缝扩展计算并加速的自适应时间步算法
Hatzigeorgiou et al. Dynamic response of 3-D damaged solids and structures by BEM
CN114086946A (zh) 压裂缝的缝高确定方法
CN112883661B (zh) 一种碎软低渗油气储层的压裂模拟方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant