CN116226982A - 一种粘性土-岩石隧道开挖耦合数值方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种粘性土‑岩石复合地层隧道开挖有限元‑离散元耦合数值模拟方法，步骤如下：(1)建立均质围岩隧道开挖数值模型，获得任意三角形单元弹性模量；(2)对所有三角形单元随机性赋值，得到所有三角形单元的随机弹性模量；(3)计算三角形单元的弹性模量E和弹性模量期望值E0的比值，若E/E0≤x，则三角形单元设为粘性土材料，若E/E0>x，则三角形单元设为岩石材料；(4)设立二维数组表示三角形单元的三个相邻的三角形单元，对所有三角形进行循环判定以优化空间分布；(5)将粘性土材料和岩石材料分别赋予各自力学属性。本模拟方法能够建立岩石、粘性土在空间上具有随机分布特征的数值模型，且岩石、粘性土的形状和体积比亦具有随机性。
Description
技术领域
本发明属于岩土力学与岩土工程领域，具体涉及粘性土-岩石复合地层隧道开挖有限元-离散元耦合数值模拟方法。
背景技术
在城市浅表地铁隧道建设过程中，常常遭遇粘性土-岩石复合地层，呈现粘性土中包裹漂石的表观特性。岩石、粘性土在空间上具有随机分布特征，且岩石、粘性土的形状和体积亦具有随机性。粘性土-岩石复合地层中粘性土、岩石的力学特性和空间分布特征对于地铁隧道变形和地表沉降具有重要影响。
为研究粘性土-岩石复合地层隧道开挖后围岩变形及破坏响应特征，为隧道掘进和支护参数设计提供指导，常采用理论解析、室内试验、现场监测和数值模拟方法。隧道开挖后，围岩不仅会发生弹塑性连续变形，亦将发生破裂，尤其对于粘性土-岩石复合地层，粘性土自身及与岩石的交界面将发生破裂，甚至岩石也将发生破裂，这取决于岩石及粘性土的物理力学特征，破裂后的围岩将产生块体间的接触挤压和块体自身的滑移翻转大运动，理论解析解难以描述围岩裂隙网络扩展、碎裂块体接触和块体的宏观大运动等复杂过程。
对于室内试验及现场监测而言，试验结果和现场观测结果往往仅对本次试验或本观测洞段有效，且室内试验难以建立具有随机分布特征的粘性土-岩石复合地层物理模型；而现场观测存在不同洞段地质条件差异大、不同观测结果对比性差、且围岩内部信息难以获知等问题，此外，这两种方法均存在试验/观测周期长、成本高昂等缺点，难以适用于粘性土-岩石复合地层隧道开挖后的变形响应研究中。
因此，数值模拟方法成为一种较佳研究手段。一般地，可分为连续性方法、非连续方法及耦合方法。连续性方法如有限元法和有限差分法难以模拟隧道围岩裂隙网络扩展过程，而非连续性方法如离散元法和颗粒元法等难以模拟岩石块体变形、块体内部开裂等过程。因此，有限元-离散元耦合数值模拟方法FDEM应运而生，并在岩土力学及岩土工程研究中得到了广泛应用。然而，当前FDEM数值模拟研究大都针对均质完整性围岩或具有原生裂隙的围岩，尚未见到对粘性土-岩石复合地层的研究，对隧道开挖后粘性土-岩石复合地层变形及破裂机理认识不清，究其原因在于缺乏粘性土-复合地层的有效建模方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提出一种粘性土-岩石复合地层隧道开挖有限元-离散元耦合数值模拟方法，该方法能够得到粘性土-岩石复合地层隧道开挖数值模型，且粘性土、岩石具有空间分布随机性特征，此外，所建数值模型中的粘性土、岩石几何形状、体积亦具有随机性特征，符合真实隧道粘性土-岩石复合地层的分布特征，为揭示隧道开挖粘性土-岩石复合地层变形及破坏机理研究提供数值模拟基础。
本发明所采用的技术方案如下：
一种粘性土-岩石复合地层隧道开挖有限元-离散元耦合数值模拟方法，包括如下步骤：
步骤1.建立均质围岩隧道开挖数值模型，根据累积分布函数计算获得任意三角形单元的弹性模量；
步骤2.对所有三角形单元随机性赋值，得到数值模型中所有三角形单元的随机弹性模量；
步骤3.计算三角形单元的弹性模量E和弹性模量期望值E0的比值，若E/E0≤x，则三角形单元设为粘性土材料，若E/E0>x，则三角形单元设为岩石材料；其中x为比值分界线；
步骤4.设立二维数组分别表示三角形单元的三个相邻的三角形单元，对所有三角形进行循环判定，若粘性土三角形相邻的两个三角形单元或相邻的三个三角形单元为岩石，则该粘性土三角形单元设为岩石材料防止出现畸形岩石或孤立的粘性土，以实现粘性土、岩石空间分布及几何形状的优化；
步骤5.将粘性土材料和岩石材料分别赋予各自力学属性，粘性土-岩石界面的四边形节理单元参数设为粘性土材料的参数，得到粘性土-岩石复合地层隧道开挖有限元-离散元耦合数值模型。
进一步，所述步骤1中，建模软件为Gmsh。
进一步，所述步骤1中，根据累积分布函数得到任意三角形单元的弹性模量
E0为弹性模量期望值、m为非均质度系数，均由输入文件给定，F(E)为0～1间的均匀分布函数。
更进一步，所述步骤1中，F(E)的值由c语言rand()函数产生0～32767之间的随机数并除以32768得到。
更进一步，所述步骤1中，m值亦可任意调整以改变粘性土-岩石的空间分布特征。
优选的，所述步骤1中，E0和m均由输入文件给定，m可设为1.5、E0可设为1GPa。
进一步，所述步骤2中，任意三角形单元弹性模量赋值方法如下：①定义随机数参数suijishu，且suijishu＝rand()/32768.0；②三角形弹性模量E＝E0×pow{log[1.0/(1-suijishu)],1.0/m}，pow为c语言幂函数，log为c语言以自然指数e为底的对数函数。
进一步，所述步骤3中，比值分界线x可任意调整，以改变粘性土、岩石的体积占比。
进一步，所述粘性土和岩石分类方法为：将粘性土和岩石三角形属性定义为不同数值，利用三角形的E/E0值与x的大小关系，对三角形属性进行赋值。优选的，x取1。
进一步，所述步骤4中，设立二维数组i2next[0][ielem]、i2next[1][ielem]、i2next[2][ielem]分别表示三角形单元ielem的三个相邻三角形单元，若粘性土三角形相邻的两个三角形单元或相邻的三个三角形单元为岩石，则该粘性土三角形单元设为岩石材料，防止出现畸形岩石或孤立的粘性土。
进一步，所述步骤5中，粘性土材料和岩石材料的力学参数均分别通过各自的单轴压缩、巴西劈裂和三轴压缩试验标定得到。
本发明的有益效果：
本发明提出的粘性土-岩石复合地层隧道开挖耦合数值方法，能够建立具有空间随机分布特征的粘性土-岩石复合地层隧道开挖有限元-离散元耦合数值模型，且粘性土、岩石的几何形状、体积亦具有随机分布特征。此外，还能够任意改变粘性土及岩石的体积占比及空间分布特征。
附图说明
图1为粘性土-岩石复合地层隧道开挖有限元-离散元耦合数值模型建模流程。
图2为非均质度系数m＝1.5时的概率密度函数。
图3为粘性土-岩石空间分布优化前后对比图。
图4为粘性土-岩石交界面四边形节理单元参数的分配方式。
图5为建立的粘性土-岩石复合地层隧道开挖数值模型。
具体实施方式
下面结合附图对本发明涉及的粘性土-岩石复合地层隧道开挖耦合数值方法进行详细说明。本发明的内容完全不限于此。
实施例
一种粘性土-岩石复合地层隧道开挖有限元-离散元耦合数值模拟方法，如图1所示，步骤如下：
步骤1.采用Gmsh软件建立均质围岩隧道开挖数值模型，采用公式
获得任意三角形单元的弹性模量，E0为弹模期望值、m为非均质度系数，均由输入文件给定，F(E)为0～1间的均匀分布函数，由c语言rand()函数产生0～32767之间的随机数并除以32768得到，32767是由c语言rand()函数所限定的。
公式
是借助于非均质岩样建模方法得到的，对于非均质岩样，岩石弹性模量服从Weibull分布，其概率密度函数如下：
m＝1.5时的概率密度函数f(E)如图2所示。概率密度函数对应的累积分布函数如下：
根据累积分布函数可得到任意三角形单元的弹性模量E为
对于公式
m值可设为1.5、E0可设为1GPa。F(E)为0-1之间的均匀分布函数，即0-1之间的任意值的取值概率是相同的。
任意三角形单元弹性模量赋值方法为：①定义随机数参数suijishu，且suijishu＝rand()/32768.0；②三角形弹性模量E＝E0×pow{log[1.0/(1-suijishu)],1.0/m}；本实施例中，E0＝1GPa、m＝1.5，pow为c语言幂函数，log为c语言以自然指数e为底的对数函数。
步骤2.对所有三角形单元循环，得到数值模型中所有三角形单元的弹性模量。
对于建立的均质围岩隧道开挖数值模型，采用公式
对所有三角形单元弹性模量进行随机性赋值，得到岩石弹性模量服从Weibull分布的非均质围岩隧道开挖数值模型。
步骤3.将E/E0≤1的三角形单元设为粘性土材料，将E/E0>1的三角形单元设为岩石材料。
在对三角形单元弹性模量赋值完毕后，将其与期望值E0对比，若比值≤1，则将该三角形单元属性设为粘性土材料，并重新赋为粘性土材料的弹性模量；若比值>1，则该三角形单元属性设为岩石材料，并赋为岩石材料的弹性模量，如图2所示。
粘性土和岩石分类方法为：①定义粘性土三角形属性为1、岩石三角形属性为2；②对所有三角形单元采用如下判别语句：
if(E/E0≤1),i1elpr[ielem]＝1；
else i1elpr[ielem]＝2；
其中，if、else为c语言判别语句，i1elpr为三角形属性数组，ielem为三角形单元编号。
步骤4.设立二维数组i2next[0][ielem]、i2next[1][ielem]、i2next[2][ielem]分别表示三角形单元ielem的三个相邻三角形单元，对所有的三角形单元进行循环，若粘性土三角形相邻的两个三角形单元或相邻的三个三角形单元为岩石，则该粘性土三角形单元设为岩石材料，防止出现畸形岩石或孤立的粘性土，实现粘性土、岩石空间分布及几何形状的优化，如图3所示。
优化实现方法为：①定义三角形单元ielem的三个相邻三角形单元分别为i2next[0][ielem]、i2next[1][ielem]、i2next[2][ielem]；②采用如下判别语句：
if(i1elpr[ielem]＝＝1&&
((i1elpr[i2next[0][ielem]]＝＝2&&i1elpr[i2next[1][ielem]]＝＝2)||
(i1elpr[i2next[0][ielem]]＝＝2&&i1elpr[i2next[2][ielem]]＝＝2)||
(i1elpr[i2next[1][ielem]]＝＝2&&i1elpr[i2next[2][ielem]]＝＝2)||
(i1elpr[i2next[0][ielem]]＝＝2&&i1elpr[i2next[1][ielem]]＝＝2&&i1elpr[i2next[2][ielem]]＝＝2)))
i1elpr[ielem]＝2；
其中，“&&”为c语言“且”符号，“||”为c语言“或”符号，“＝＝”为c语言判别公式左侧、右侧是否相等的符号。
步骤5.将粘性土材料和岩石材料分别赋予各自力学属性，粘性土-岩石界面的四边形节理单元参数设为粘性土材料的参数，如图4所示；粘性土材料和岩石材料的力学参数均分别通过各自的单轴压缩、巴西劈裂和三轴压缩试验标定得到；粘性土与粘性土三角形界面处的四边形节理单元参数设为粘性土的参数、岩石与岩石三角形界面处的四边形节理单元参数设为岩石的参数。
粘性土-岩石界面处四边形节理单元属性分配方法为：①定义i1linbian[0][jelem]、i1linbian[1][jelem]分别为四边形单元jelem两侧的三角形单元；②采用如下判别语句：
if((i1elpr[i1linbian[0][jelem]]＝＝1&&i1elpr[i1linbian[1][jelem]]＝＝2)||
(i1elpr[i1linbian[0][jelem]]＝＝2&&i1elpr[i1linbian[1][jelem]]＝＝1))
i1elpr[jelem]＝粘性土；
根据上述步骤，得到了如图5所示的粘性土-岩石复合地层隧道开挖有限元-离散元耦合数值模型。根据本发明提出的方法，能够建立具有空间随机分布特征的粘性土-岩石复合地层隧道开挖有限元-离散元耦合数值模型，且粘性土、岩石的几何形状、体积亦具有随机分布特征，此外，还能够通过调整E/E0的比值分界线改变粘性土及岩石的体积占比、通过调整m值改变粘性土及岩石的空间分布特征。
本发明所涉及的粘性土-岩石复合地层隧道开挖耦合数值方法不仅仅局限于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，如对三角形单元尺寸、隧道模型尺寸、二维数组名称、输入值m和E0及E/E0比值分界线的修改等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种粘性土-岩石复合地层隧道开挖有限元-离散元耦合数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1.建立均质围岩隧道开挖数值模型，根据累积分布函数计算获得任意三角形单元的弹性模量；
步骤2.对所有三角形单元随机性赋值，得到数值模型中所有三角形单元的随机弹性模量；
步骤3.计算三角形单元的弹性模量E和弹性模量期望值E0的比值，若E/E0≤x，则三角形单元设为粘性土材料，若E/E0>x，则三角形单元设为岩石材料；其中x为比值分界线；
步骤4.设立二维数组分别表示三角形单元的三个相邻的三角形单元，对所有三角形进行循环判定，若粘性土三角形相邻的两个三角形单元或相邻的三个三角形单元为岩石，则该粘性土三角形单元设为岩石材料，以实现粘性土、岩石空间分布及几何形状的优化；
步骤5.将粘性土材料和岩石材料分别赋予各自力学属性，粘性土-岩石界面的四边形节理单元参数设为粘性土材料的参数，得到粘性土-岩石复合地层隧道开挖有限元-离散元耦合数值模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1中，根据累积分布函数得到任意三角形单元的弹性模量
E0为弹模期望值、m为非均质度系数，均由输入文件给定，F(E)为0～1间的均匀分布函数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤1中，F(E)的值由c语言rand()函数产生0～32767之间的随机数并除以32768得到。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤1中，m值亦可任意调整以改变粘性土-岩石的空间分布特征。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2中，任意三角形单元弹性模量赋值方法如下：①定义随机数参数suijishu，且suijishu＝rand()/32768.0；②三角形弹性模量E＝E0×pow{log[1.0/(1-suijishu)],1.0/m}，pow为c语言幂函数，log为c语言以自然指数e为底的对数函数。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3中，比值分界线x可任意调整，以改变粘性土、岩石的体积占比及空间分布。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粘性土和岩石分类方法为：将粘性土和岩石三角形属性定义为不同数值，利用三角形的E/E0值与x的大小关系，对三角形属性进行赋值。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤5中，粘性土材料和岩石材料的力学参数均分别通过各自的单轴压缩、巴西劈裂和三轴压缩试验标定得到。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117094057A (zh) * | 2023-08-22 | 2023-11-21 | 中铁建大桥工程局集团第五工程有限公司 | 一种隧道围岩松动圈测试方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116226982B (zh) | 2024-05-28 |
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