CN116011302A - 考虑岩石真实微观特性的连续-非连续数值模型建立方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑岩石真实微观特性的连续‑非连续数值模型建立方法。首先通过电子显微镜扫描、颗粒图像识别等技术，获取岩石组成成分、矿物晶体颗粒级配信息等数据。然后在数值模拟软件中建立连续‑非连续节理岩石真三轴数值模型，对不同组成部分赋予合适参数，基于离散‑连续耦合分析原理，开展耦合真三轴实验。与现有技术相比，本发明提供的连续‑非连续数值模型建模方法，通过PFC3D‑FLAC3D耦合，在核心部分进行匹配岩石真实微观结构统计特征的离散元矿物多晶建模，非核心部分采用有限差分连续单元建模，显著提供数值计算效率和高精度研究核心区域破裂演化机制。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于连续-非连续数值模型建立和仿真方法。本发明属于岩土工程虚拟数值试验仿真领域，实现对节理岩石室内真三轴实验的计算机仿真模拟。
背景技术
岩体中存在各种形态、大小、间距、密度、和方向不同的不连续面，使岩体具有不连续性和各向异性的特性，其对岩体的力学性质和破坏形式有着重要影响。在大型边坡、隧道等工程中，往往由于岩体节理的发育，给工程带来安全隐患。因此，研究节理岩体的力学行为是当前岩土工程领域较为热门的话题。
数值技术的发展带动了数值模拟在岩土工程领域的广泛应用。计算机虚拟仿真试验对比室内试验具有成本低，效率高，可重复性强的优点。颗粒离散元法是数值模拟方法的一种，因其不受变形量限制，可方便地处理非连续介质力学问题，能较好的匹配真实岩石性质进行矿物多晶建模且能在细观层面上反映岩石的破裂机理，在模拟节理类岩石破坏特性方面有着独到的优势。
随着对岩石研究的深入，学者们逐渐意识到岩石的脆性破坏是裂纹逐渐发展的结果，这主要受显微结构和矿物学性质的控制，这也意味着岩石破裂机制的内在解释需要在晶粒尺度上进行研究。所以在数值模拟的建模中，需要考虑到岩石内部不同成分的矿物组成和不同矿物的力学性质。颗粒离散元法虽然能够较好的建立符合岩石内部不同矿物结构排列的数值模型，不过由于目前计算速度的限制，在进行晶粒尺度上的三维精细化模拟时往往耗时颇多，导致应用较少。
发明内容
为解决传统颗粒离散元法在进行晶粒尺度模拟时耗时较多的问题。本发明的目的是提供一种考虑岩石真实微观特性的连续-非连续数值模型建立方法。该方法通过PFC与FLAC3D两种软件的耦合。核心模拟部分采用离散元法建模，其他部分均采用有限元连续方法建模，在核心部分进行匹配真实岩石晶粒尺度建模的条件下，极大提高了数值模拟的计算效率。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：考虑岩石真实微观特性的连续-非连续数值模型建立方法，包括如下步骤：
(1)通过电子显微镜扫描、薄片鉴定等技术，获取组成岩石的矿物成分及不同矿物占比和矿物晶体颗粒级配等信息；
(2)根据室内试验真三轴试样大小，建立相同尺寸的节理岩石连续-非连续真三轴数值试验模型；
(3)设置接触模型，并根据接触所处位置将接触分类并施加不同接触模型，同时根据矿物性质赋予不同接触参数；
(4)施加侧向应力和轴向加载速度，开展耦合真三轴实验。
其中，步骤(1)的具体步骤包括：
(1.1)通过电子显微镜扫描岩石微观结构图像和X射线衍射识别岩石矿物组成成分；
(1.2)利用PCAS软件识别步骤(1.1)获取的岩石微观结构图像中晶体颗粒，并统计岩石矿物晶体颗粒级配。
步骤(2)的具体步骤包括：
(2.1)根据真三轴试样尺寸建立FLAC3D模型，删除节理面附近一定宽度内的FLAC3D模型，根据矿物晶体颗粒级配，生成初始颗粒集；
(2.2)在试样模型外部另生成六组加载单元，并在加载单元与表征岩样的实体单元(zone)接触处生成接触面，与颗粒接触处生成耦合墙体；
(2.3)根据初始颗粒中心位置，进行Voronoi剖分，生成rblock块体单元；
(2.4)根据rblock块体单元表面形状，建立geometry几何体；
(2.5)删除初始颗粒和rblock块体单元，在核心区域建立新的填充颗粒并用几何体单元(geometry)将其划分到代表不同晶粒的组内；
步骤(3)的具体步骤包括：
(3.1)将晶粒内部的颗粒接触的接触模型设置为平行黏结模型(PBM)，并根据晶粒的性质，不同晶粒赋予对应的细观参数；
(3.2)将晶间的接触的接触模型设置为光滑节理模型(SJM)，将与几何体单元(geometry)相交的接触更换为晶间接触模型并赋予接触参数；
(3.3)建立节理面，将与节理面相交的接触模型转换为光滑节理模型，并赋予和晶间接触模型不同的力学参数。
步骤(4)的具体步骤包括：
(4.1)在模型外侧加载单元边界施加试验侧向应力，上下加载单元施加轴向加载速度；
(4.2)在动力求解模式下，将有限元和离散元设置为相同的分析时步；
(4.3)开始耦合真三轴实验模拟，当应变达到指定目标值，停止试验加载，保存计算结果。
更进一步的，步骤(4.3)中连续-非连续耦合真三轴试验是基于有限元(FEM)和离散元(DEM)相互耦合计算实现的。耦合方法的基本原理是在可能发生耦合作用的FLAC模型元素的表面上设置PFC模型组件wall，并以此作为用于耦合变量交换传递的媒介。因此离散域与连续域将通过墙单元(wall)来进行力的传递，力映射的核心原理是将球体颗粒作用于控制墙体上的力转为对应的耦合节点上等效节点力。所以墙顶点与实体单元(zone)的网格点同步运动，这些力将参与连续域的FLAC3D分析，同样连续域节点的变形也将带动墙的运动，进而将位置和速度通过墙传递到离散域中。
有益效果：与现有技术相比，本发明的考虑岩石真实微观特性的连续-非连续数值模型建立方法，可以实现对含节理岩石破裂的精细化建模，在核心部分建立匹配真实岩石内部晶粒特征的矿物多晶模型，在非核心部分采用连续域耦合建模增加计算效率。能够真实模拟含节理岩石的室内真三轴实验并研究其细观破裂机制。
附图说明
图1是考虑岩石真实微观特性的连续-非连续数值模型建立和仿真流程图
图2为花岗岩在光学显微镜扫描下的微观结构图((a)是在单偏光蓝色铸体100倍放大倍数下观察到的微观图像，(b)是在正交偏光100倍的放大倍数下观察到的微观图像)
图3为初始数值模型图
图4为在图3模型外部建立加载单元后的图
图5是基于初始模型中的颗粒构建块体单元后的图
图6是建立几何体单元后的图
图7是重新填充小尺寸颗粒后的图
图8是加入节理后的图
图9是接触施加完成后的图
图10为耦合试验加载条件示意图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本发明公开了一种考虑岩石真实微观特性的连续-非连续数值模型建立方法和仿真方法，包括以下步骤：
S1：通过电子显微镜扫描、薄片鉴定等技术，获取组成岩石的矿物成分及不同矿物占比和矿物晶体颗粒级配等信息。具体步骤为：
S1.1：通过电子显微镜扫描岩石微观结构图像和X射线衍射识别岩石矿物组成成分；；
选取花岗岩为试验对象，通过光学显微镜扫描矿物颗粒微观结构，选取典型的花岗岩试件，在不同的放大倍数下观察其微观结构，拍摄不同放大倍数的微观结构图像。图2为花岗岩微观结构图，(a)是在单偏光蓝色铸体100倍放大倍数下观察到的微观图像，(b)是在正交偏光100倍的放大倍数下观察到的微观图像。之后再通过颗粒图像识别技术，获取岩石内部晶体颗粒级配数据用于后续建模，统计得出该花岗岩试样中主要含有三种矿物，其中石英占比百分之36％，钾长石占比百分之19％，斜长石占比百分之45％。
S1.2：利用PCAS软件识别步骤(1.1)获取的岩石微观结构图像中晶体颗粒，并统计岩石矿物晶体颗粒级配。
通过软件中的岩石薄片粒度图像分析技术，得到岩石内部晶粒的级配特征用于后续数值模型建立。
S2：根据室内试验真三轴试样大小，建立相同尺寸的节理岩石连续-非连续真三轴数值试验模型。具体步骤为：
S2.1：根据真三轴试样尺寸建立FLAC3D模型，删除节理面附近一定宽度内的FLAC3D模型，根据矿物晶体颗粒级配，生成初始颗粒集；
如图3所示，建立50×50×100mm的真三轴数值试样。核心区域用离散元建模，根据岩石矿物晶粒大小和级配生成初始颗粒用于表示矿物晶粒，其中白色代表石英，灰色代表钾长石，黑色代表斜长石，初始颗粒总数为8000个，后续将在此区域插入节理面并赋予接触模型。非核心区域采用有限元建模，以提高计算效率。需要注意的是，核心区域位置并不固定，其具体位置应根据节理面位置来确定，可因节理位置的不同而改变，原则上保证节理面及其附近一定宽度区域为离散元建模即可，本示例中分别取节理面两侧2.5mm的区域用作离散元建模。
S2.2：在试样模型外部另生成六组加载单元，并在加载单元与表征岩样的实体单元(zone)接触处生成接触面，与颗粒接触处生成耦合墙体；
如图4所示，在试样外部生成六组实体单元(zone)，这六组单元将作为加载单元用于后续施加侧向应力和轴向位移加载，故称其为加载单元。加载单元与表征试样的实体单元(zone)之间设置接触面隔开，接触面摩擦系数设置为0；与颗粒(ball)接触处生成耦合墙体，用于进行离散域与连续域之间的力学交换。
S2.3：根据初始颗粒中心位置，进行Voronoi剖分，生成rblock块体单元；
使用Voronoi细分从初始颗粒构造块体单元(rblock)，利用初始颗粒半径对单元边界进行加权，使得块体单元的大小更接近于球的粒度分布。如图5所示，块体单元的表面形状将作为晶粒与晶粒之间的分界。
S2.4：根据rblock块体单元表面形状，建立geometry几何体；
如图6所示，几何体单元是一种形状单元，不具有物理性质且不参与力学计算，可为后续填充颗粒进行分组并作为晶界用于赋予晶间接触模型。
S2.5：删除初始颗粒和rblock块体单元，在核心区域建立新的填充颗粒并用几何体单元(geometry)将其划分到代表不同晶粒的组内；
填充颗粒并分组之后如图7所示。
表1颗粒属性表
S3：设置接触模型，并根据接触所处位置将接触分类并施加不同接触模型，同时根据矿物性质赋予不同接触参数。具体步骤为：
S3.1：将晶粒内部的颗粒接触的接触模型设置为平行黏结模型(PBM)，并根据晶粒的性质，不同晶粒赋予对应的细观参数；
花岗岩内部含有石英、钾长石和斜长石三种矿物。根据不同矿物各自的特性，给它们内部的颗粒接触赋予平行黏结模型并施加不同的晶内接触参数，可以更好地匹配真实岩石内部晶粒的特征。平行黏结模型是PFC内嵌模型的一种，用于模拟黏结材料的力学行为，其黏结组件与线性元件平行，在接触间建立弹性相互作用。平行黏结可以在不同实体之间传递力和力矩。
表2平行黏结模型参数表
S3.2：将晶间的接触的接触模型设置为光滑节理模型(SJM)，将与几何体单元(geometry)相交的接触更换为晶间接触模型并赋予接触参数；
几何体单元用于划分不同晶粒边界，即与几何体单元相交处的接触即为晶间接触，给晶间接触赋予光滑节理模型(SJM)。光滑节理模型是一种特殊的颗粒接触模型，它不考虑节理面上颗粒间的接触方位，使节理面两侧的颗粒可沿光滑节理模型平行滑动，适合用于模拟节理面的力学行为。
S3.3：建立节理面，将与节理面相交的接触模型转换为光滑节理模型，并赋予和晶间接触模型不同的力学参数。
节理面位置如图8所示，并将节理面通过处的接触也赋予光滑节理模型，代表节理面的光滑节理模型的参数与晶间的光滑节理模型不同。图9为接触施加完成之后的模型。
表3光滑节理模型参数表
S4：施加侧向应力和轴向加载速度，开展耦合真三轴实验。具体步骤为：
S4.1：在模型外侧加载单元边界施加试验侧向应力，上下加载单元施加轴向加载速度；
本发明中真三轴试验的围压是通过试样外层加载单元间接施加到试样上，在有限元单元模型外侧边界施加均匀的法向应力。如图10所示，在侧向加载单元模型外侧边界施加均匀的法向应力，模拟室内试验的侧向围压。
S4.2：在动力求解模式下，将有限元和离散元设置为相同的分析时步；
为保证有限元与离散元耦合分析同步进行，需要将两种计算的时步设置为统一大小；
S4.3：开始耦合真三轴实验模拟，当应变达到指定目标值，停止试验加载，保存计算结果。
连续-非连续耦合真三轴试验是基于有限元(FEM)和离散元(DEM)相互耦合计算实现的。耦合方法的基本原理是在可能发生耦合作用的FLAC模型元素的表面上设置PFC模型组件wall，并以此作为用于耦合变量交换传递的媒介。因此离散域与连续域将通过墙单元(wall)来进行力的传递，力映射的核心原理是将球体颗粒作用于控制墙体上的力转为对应的耦合节点上等效节点力。所以墙顶点与实体单元(zone)的网格点同步运动，这些力将参与连续域的FLAC3D分析，同样连续域节点的变形也将带动墙的运动，进而将位置和速度通过墙传递到离散域中。
最后说明的是：上述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡是在本发明的精神与原则之内，所做的任何修改、等价替换、改进等均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.考虑岩石真实微观特性的连续-非连续数值模型建立方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)通过电子显微镜扫描、薄片鉴定等技术，获取组成岩石的矿物成分，不同矿物占比和矿物晶体颗粒级配等信息；
(2)根据室内试验真三轴试样大小，建立相同尺寸的节理岩石连续-非连续真三轴数值试验模型；
(3)设置接触模型，并根据接触所处位置将接触分类并施加不同接触模型，同时根据矿物性质赋予不同接触参数；
(4)施加侧向应力和轴向加载速度，开展耦合真三轴实验。
2.根据权利要求1所述的一种考虑岩石真实微观特性的连续-非连续数值模型建立方法，其特征在于，所述步骤(1)通过薄片鉴定等技术，获取组成岩石的矿物成分，不同矿物占比和矿物晶体颗粒级配等信息的具体步骤包括：
(1.1)通过电子显微镜扫描岩石微观结构图像和X射线衍射识别岩石矿物组成成分；
(1.2)利用PCAS软件识别步骤(1.1)获取的岩石微观结构图像中晶体颗粒，并统计岩石矿物晶体颗粒级配。
3.根据权利要求1所述的一种考虑岩石真实微观特性的连续-非连续数值模型建立方法，其特征在于，所述步骤(2)接触模型施加，根据接触所处位置将接触分类并施加不同接触模型，同时根据矿物性质赋予不同接触参数的具体步骤包括：
(2.1)根据真三轴试样尺寸建立FLAC3D模型，删除节理面附近一定宽度内的FLAC3D模型，根据矿物晶体颗粒级配，生成初始颗粒集；
(2.2)在试样模型外部另生成六组加载单元，并在加载单元与表征岩样的实体单元(zone)接触处生成接触面，与颗粒接触处生成耦合墙体；
(2.3)根据初始颗粒中心位置，进行Voronoi剖分，生成rblock块体单元；
(2.4)根据rblock块体单元表面形状，建立geometry几何体；
(2.5)删除初始颗粒和rblock块体单元，在核心区域建立新的填充颗粒并用几何体单元(geometry)将其划分到代表不同晶粒的组内。
4.根据权利要求1所述的一种考虑岩石真实微观特性的连续-非连续数值模型建立方法，其特征在于，所述步骤(3)根据节理岩石内部矿物性质，分别赋予不同本构模型和接触参数的具体步骤包括：
(3.1)将晶粒内部的颗粒接触的接触模型设置为平行黏结模型(PBM)，并根据晶粒的性质，不同晶粒赋予对应的细观参数；
(3.2)将晶间的接触的接触模型设置为光滑节理模型(SJM)，将与几何体单元(geometry)相交的接触更换为晶间接触模型并赋予接触参数；
(3.3)建立节理面，将与节理面相交的接触模型转换为光滑节理模型，并赋予和晶间接触模型不同的力学参数。
5.根据权利要求1所述的一种考虑岩石真实微观特性的连续-非连续数值模型建立方法，其特征在于，所述步骤(4)施加侧向应力和轴向加载速度，开展耦合真三轴实验的具体步骤包括：
(4.1)在模型外侧加载单元边界施加试验侧向应力，上下加载单元施加轴向加载速度；
(4.2)在动力求解模式下，将有限元和离散元设置为相同的分析时步；
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