CN116579195A - 一种三维结构面岩体多尺度非连续模型建立和仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维结构面岩体多尺度非连续模型建立和仿真方法。首先通过光学显微镜扫描、颗粒图像识别和三维扫描仪扫描等技术，获取岩石组成成分、晶粒级配信息和三维岩体结构面点云数据。然后在数值模拟软件中建立非连续剪切数值模型，对不同组成部分赋予合适参数，并借助离散元应力伺服原理给试样施加竖向应力，最后对侧向加载板赋予加载速度，开展结构面岩体离散—连续耦合精细化剪切数值实验。与现有技术相比，本发明提供的非连续数值模型建模方法，通过PFC—FLAC3D耦合，在核心部分进行匹配真实岩石特征的矿物多晶建模和三维结构面精细化建模，非核心部分采用连续域建模，极大程度提高了数值模拟的计算速率和精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于离散—连续耦合的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，实现对材料介质室内剪切试验的计算机真实仿真模拟。
背景技术
岩体结构面作为岩体的基本组成部分，是工程岩体强度和变形的决定性因素。结构面剪切强度的微小变化都可能引起岩体出现不稳定，因此探究岩石强度必须考虑到其内部存在的结构面。但室内试验由于试验设备的限制，无法准确分析岩体结构面形貌特征与剪切力学行为之间的关系，且室内试验只能分析岩石的宏观破坏性质，对细观力学层面上的研究分析有所不足。数值模拟技术可以较好的弥补室内试验在这方面的缺陷，所以近年来随着计算机技术和数值理论的发展，计算机虚拟仿真试验逐渐成为研究岩石结构面剪切细观力学行为的主要方法。
目前的数值模拟方法主要分为连续数值分析方法和非连续介质分析方法。连续数值分析方法有有限单元法、有限差分法等；非连续介质分析法有块体离散元法、颗粒离散元法等。其中，颗粒离散元法因不受变形量限制，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，被广泛用于模拟岩石结构面剪切力学行为。然而因为计算速度的限制，颗粒离散元法在进行晶粒尺度上的精细化模拟时往往耗时颇多。前人大多选择对试样或晶粒尺寸进行调整以平衡计算效率，但这样建立的数值模型始终无法完美匹配真实岩石内部的晶粒尺寸。所以，要采用颗粒离散元法进行考虑矿物多尺度的岩石结构面精细化剪切模拟，需要进一步优化建模方法。
发明内容
为解决传统颗粒离散元法在进行结构面精细化建模时模拟效率低下的难题。本发明的目的是提供一种基于有限元与离散元耦合的非连续建模和仿真方法。该方法通过PFC与FLAC3D两种软件的耦合。在建模核心部分采用颗粒离散元法进行结构面精细化建模，其他非核心部分均采用有限元连续方法建模，在核心部分匹配真实岩石内部矿物晶粒粒径大小的条件下，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：一种三维结构面岩体多尺度非连续模型建立和仿真方法，包括如下步骤：
(1)通过光学显微镜扫描、颗粒图像识别和三维扫描仪扫描等技术，获取岩石组成成分、晶粒级配信息和三维岩体结构面点云数据；
(2)根据剪切试样尺寸，建立结构面岩体离散—连续耦合精细化剪切数值模型；
(3)根据岩体内部矿物性质分别赋予不同本构模型和接触参数；
(4)利用应力伺服原理，对试样施加边界约束、竖向应力和剪切加载速率，开展结构面岩体离散—连续耦合精细化剪切数值实验。
其中，步骤(1)的具体步骤包括：
(1.1)通过光学显微镜扫描观察岩石微观结构和组成成分，并利用Image J软件中的颗粒图像识别技术，分析统计岩石矿物晶粒级配；
(1.2)利用三维扫描仪扫描岩体结构面，获取三维岩体结构面点云数据。
步骤(2)的具体步骤包括：
(2.1)根据试样尺寸，建立FLAC3D连续数值模型；
(2.2)删除结构面及其附近的zone单元，在删除区域的边界内，按照步骤(1.1)中获得的矿物晶粒级配，建立初始颗粒集，并对初始颗粒进行分组；
(2.3)基于初始颗粒的位置中心，采用Voronoi剖分，创建rblock块体单元；
(2.4)根据建立的块体单元的表面轮换形状，建立每个块体对应的geometry单元集合；
(2.5)删除初始颗粒和块体单元，在指定区域内重新创建半径更小的填充颗粒用于填充晶粒，并根据步骤(2.4)中创建的几何体单元，对填充颗粒进行分组。
步骤(3)的具体步骤包括：
(3.1)给晶粒内部的颗粒接触赋予平行黏结模型(PBM)，并根据组成岩石的不同矿物的性质，对代表不同矿物内部的黏结模型赋予不同的参数；
(3.2)根据几何体单元(geometry)的位置，将几何体单元通过处的接触模型更换为光滑节理模型(SJM)并赋予合适参数用于代表晶粒与晶粒之间的接触；
(3.3)导入三维结构面数据，并将结构面通过处的模型转换为光滑节理模型，并赋予和晶间接触模型不同的参数。
步骤(4)的具体步骤包括：
(4.1)删除初始边界墙体重新生成加载板；
(4.2)通过伺服给数值模型施加竖向应力。设定伺服目标应力，根据伺服原理给墙体施加速度使墙体应力达到目标值；
(4.3)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；
(4.4)开展耦合剪切试验，每一时步有限元与离散元彼此间进行数据交换，并在每隔一定时步记录试验的剪切应力和剪切位移；
(4.5)当剪切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，步骤(4.2中)，应力伺服的原理是通过反复调整墙体单元的位置使试样内部应力逐步逼近目标应力值，而墙体单元的位置是通过不断给墙体赋予速度来改变的。赋予的速度通过如下公式计算：
式中：G为伺服调整系数，σmeasured为当前边界墙体所施加的平均接触应力，σrequired为人为设定的伺服目标应力。其中伺服调整系数G的计算公式如下：
其中α为应力释放因子，取值范围为(0，1]，通常可取0.5，A为边界墙体与试样的接触总面积，kn为墙体单元上所有接触的平均接触刚度，Nc为墙体单元上的接触总数，Δt为时间步长。
σmeasured的计算公式如下：
其中分别为墙体单元与试样在中x，y，z三个方向的接触力。在实际伺服过程中，每一时步都要监测墙体单元上的应力和接触力并重新计算需要赋予给墙体单元的速度，通过不断循环调整各个方向上墙体单元的伺服速度，直至所有边界墙体平均接触应力达到目标应力再停止计算。
更进一步的，步骤(4.4)中离散—连续耦合剪切试验是基于有限元(FEM)和离散元(DEM)相互耦合计算实现的，且离散域与连续域之间力的交互是通过PFC中的墙(wall)来实现的。PFC中的球，簇运动过程中作用于墙上的接触力和接触弯矩，采用等效力方法分配到墙面的顶点上，而墙体的顶点又附着于FLAC3D中实体单元(zone)的网格点上。因此墙顶点与实体单元(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。作用力映射原理核心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
有益效果：与现有技术相比，本发明的一种三维结构面岩体多尺度非连续模型建立和仿真方法，可以实现对三维结构面破裂的精细化建模，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。能够真实模拟包含三维结构面试样的室内剪切实验并研究其细观破裂机制。
附图说明
图1是三维结构面岩体多尺度非连续模型建立和仿真方法流程图
图2为花岗岩在光学显微镜扫描下的微观结构图((a)图放大倍数为20倍，(b)放大倍数为50倍)
图3为三维扫描仪扫描出的结构面图((a)、(b)、(c)分别为正视图，俯视图和斜视图)
图4为在数值软件中建立的FLAC初始连续模型图
图5(a)为删除指定区域实体单元(zone)后的初始模型图，图5(b)是在预留区域建立初始颗粒集之后的初始模型图
图6是基于初始模型中的颗粒构建块体单元后的图
图7是建立几何体单元后的图
图8是重新填充小尺寸颗粒后的图
图9是导入结构面数据后的图
图10是接触施加完成后的图
图11是重新建立边界控制墙体和颗粒簇单元后的图
图12是施加法向应力的示意图
图13是加载方式示意图
图14(a)剪切试验结果图，图14(b)是剪切试验曲线图
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，本发明公开了一种三维结构面岩体多尺度非连续模型建立和仿真方法流程图，包括以下步骤：
S1：通过光学显微镜扫描、颗粒图像识别和三维扫描仪扫描等技术，获取岩石组成成分、晶粒级配信息和三维岩体结构面点云数据。具体步骤为：
S1.1：通过光学显微镜扫描观察岩石微观结构和组成成分，并利用Image J软件中的颗粒图像识别技术，分析统计岩石矿物晶粒级配；
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)和(b)分别是在20倍和50倍的放大倍数下观察到的微观图像，可以看出该花岗岩试样中主要含有石英和长石两种矿物。之后再通过颗粒图像识别技术，获取岩石内部晶粒级配数据用于后续建模，统计得出该花岗岩试样中石英占比百分之36％，长石占比百分之64％，其中长石包括钾长石和斜长石。
S1.2：利用三维扫描仪扫描岩体结构面，获取三维岩体结构面点云数据。
采用三维扫描仪扫描岩体结构面表面，获取在标志点全局坐标系下的岩体结构面表面三维点云数据，并通过软件处理后导出PFC可以识别的stl格式的文件。
结构面如图3所示，其中(a)、(b)、(c)分别为正视图，俯视图和斜视图。
S2：根据剪切试样尺寸，建立结构面岩体离散—连续耦合精细化剪切数值模型。具体步骤为：
S2.1：根据试样尺寸，建立FLAC3D连续数值模型；
图4为100×100×100mm的数值试样，边界是由六个无摩擦的刚性墙体组成，每个墙体均为一个平面，且上下墙体(竖向墙体)和侧向墙体间的相对距离即为试样的宽度和高度。
S2.2：删除结构面及其附近的zone单元，在删除区域的边界内，按照步骤(1.1)中获得的矿物晶粒级配，建立初始颗粒集，并对初始颗粒进行分组；
如图5(a)所示，删除结构面及其附近区域的实体单元(zone)，这里在试样中心删除20mm高度范围内的实体单元(zone)。用收集到的不同矿物的颗粒级配数据进行初始颗粒集的创建并进行分组，其中白色代表石英，灰色代表长石。初始颗粒总数为30000个。颗粒最小半径为0.005mm(按真实晶粒半径扩大2.5倍)，最大半径为2.5mm。
S2.3：基于初始颗粒的位置中心，采用Voronoi剖分，创建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6所示，块体单元的形状可以较好的反映岩石内部矿物晶粒的不规则形状。
S2.4：根据建立的块体单元的表面轮换形状，建立每个块体对应的geometry单元集合；
如图7所示，几何体单元(geometry)是一种形状单元，不具有物理性质且不参与力学计算，可用于划分范围、转换接触，此处用于为后续填充颗粒进行分组。
S2.5：删除初始颗粒和块体单元，在指定区域内重新创建半径更小的填充颗粒用于填充晶粒，并根据步骤(2.4)中创建的几何体单元，对填充颗粒进行分组。
如图7所示，填充颗粒，对颗粒分组并根据所代表的的矿物赋予属性。
表1颗粒属性表
S3：根据岩体内部矿物性质分别赋予不同本构模型和接触参数。具体步骤为：
S3.1：给晶粒内部的颗粒接触赋予平行黏结模型(PBM)，并根据组成岩石的不同矿物的性质，对代表不同矿物内部的黏结模型赋予不同的参数；
花岗岩内部含有石英和长石两种矿物，其中长石包含钾长石和斜长石。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，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：根据几何体单元(geometry)的位置，将几何体单元通过处的接触模型更换为光滑节理模型(SJM)并赋予合适参数用于代表晶粒与晶粒之间的接触；
几何体单元用于划分不同晶粒范围，则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：导入三维结构面数据，将结构面通过处的模型转换为光滑节理模型，并赋予和晶间接触模型不同的参数。
如图9(a)、(b)所示，将stl格式的结构面文件导入PFC软件中并将结构面转换为几何体单元(geometry)，导入后结构面所在位置为模型中央。将结构面处的光滑节理模型强度设置为晶内模型的0.01倍。图10为接触施加完成的模型。
表3光滑节理模型参数表
S4：利用应力伺服原理，对试样施加边界约束、竖向应力和剪切加载速率，开展结构面岩体离散—连续耦合精细化剪切数值实验。具体步骤为：
S4.1：删除边界墙体重新生成加载板；
如图11所示。删除试样边界的墙体，因为FLAC3D连续域与PFC离散域的接触面是PFC中的墙单元，在耦合模拟中FLAC3D中的实体单元(zone)外表面是由墙单元包裹着的，而墙单元与墙单元之间不会产生相互作用，所以此处无法直接用墙单元对实体单元(zone)进行加载。于是采用间接加载的方法，在试样外部建立一层由簇(clump)组成的隔板，再在簇的外部建立墙单元，这样墙与模型之间力的交换就可以通过中间的簇单元来完成。
S4.2：通过伺服给数值模型施加竖向应力。设定伺服目标应力，根据伺服原理给墙体施加速度使墙体应力达到目标值；
设定35MPa的伺服目标应力值，软件会根据当前应力值与伺服目标应力值之间的差值，实时调整墙体的速度从而改变墙体位置，最终使得墙体与数值模型之间的应力达到伺服目标应力值。如图12所示。
离散元中伺服的原理是通过反复调整墙体单元的位置使试样内部应力逐步逼近目标应力值，而墙体单元的位置是通过不断给墙体赋予速度来改变的。赋予的速度通过如下公式计算：
式中：G为伺服调整系数，σmeasured为当前边界墙体所施加的平均接触应力，σrequired为人为设定的伺服目标应力。其中伺服调整系数G的计算公式如下：
其中α为应力释放因子，取值范围为(0，1]，通常可取0.5，A为边界墙体与试样的接触总面积，kn为墙体单元上所有接触的平均接触刚度，Nc为墙体单元上的接触总数，Δt为时间步长。
σmeasured的计算公式如下：
其中分别为墙体单元与试样在中x，y，z三个方向的接触力。在实际伺服过程中，每一时步都要监测墙体单元上的应力和接触力并重新计算需要赋予给墙体单元的速度，通过不断循环调整各个方向上墙体单元的伺服速度，直至所有边界墙体平均接触应力达到目标应力再停止计算。
S4.3：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；
S4.4：开展耦合剪切试验，每一时步有限元与离散元彼此间进行数据交换，并在每隔一定时步记录试验的剪切应力和剪切位移；
伺服到指定应力后，开始进行耦合剪切实验。首先关闭加载方向墙体的伺服选项，其余方向墙体依旧保持固定围压，剪切盒上方墙体保持不动，下方墙体赋予x方向的初速度，如图13所示。
离散—连续耦合剪切试验是基于有限元(FEM)和离散元(DEM)相互耦合计算实现的，且离散域与连续域之间力的交互是通过PFC中的墙(wall)来实现的。PFC中的球，簇运动过程中作用于墙上的接触力和接触弯矩，采用等效力方法分配到墙面的顶点上，而墙体的顶点又附着于FLAC3D中实体单元(zone)的网格点上。因此墙顶点与实体单元(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。作用力映射原理核心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。
S4.5：当剪切应变达到指定目标值，停止试验加载，保存计算结果。
在35MPa的法向应力下进行剪切试验模拟，加载速度设置为0.005m/s。如图14(a)所示为剪切试验破坏结果图，破坏主要发生在结构面附近。图14(b)为剪切应力与剪切位移曲线图，剪切位移达到0.2mm附近试样发生破坏，强度迅速降低。
Claims (5)
1.一种三维结构面岩体多尺度非连续模型建立和仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)通过光学显微镜扫描、颗粒图像识别和三维扫描仪扫描等技术，获取岩石组成成分、晶粒级配信息和三维岩体结构面点云数据；
(2)根据剪切试样尺寸，建立结构面岩体离散—连续耦合精细化剪切数值模型；
(3)根据岩体内部矿物性质分别赋予不同本构模型和接触参数；
(4)利用应力伺服原理，对试样施加边界约束、竖向应力和剪切加载速率，开展结构面岩体离散—连续耦合精细化剪切数值实验。
2.根据权利要求1所述的一种三维结构面岩体多尺度非连续模型建立和仿真方法，其特征在于，所述步骤(1)通过光学显微镜扫描、颗粒图像识别和三维扫描仪扫描等技术，获取岩石组成成分、晶粒级配信息和三维岩体结构面点云数据的具体步骤包括：
(1.1)通过光学显微镜扫描观察岩石微观结构和组成成分，并利用Image1J软件中的颗粒图像识别技术，分析统计岩石矿物晶粒级配；
(1.2)利用三维扫描仪扫描岩体结构面，获取三维岩体结构面点云数据。
3.根据权利要求1所述的一种三维结构面岩体多尺度非连续模型建立和仿真方法，其特征在于，所述步骤(2)根据剪切试样尺寸，建立结构面岩体离散—连续耦合精细化剪切数值模型的具体步骤包括：
(2.1)根据试样尺寸，建立FLAC3D连续数值模型；
(2.2)删除结构面及其附近的zone单元，在删除区域的边界内，按照步骤(1.1)中获得的矿物晶粒级配，建立初始颗粒集，并对初始颗粒进行分组；
(2.3)基于初始颗粒的位置中心，采用Voronoi剖分，创建rblock块体单元；
(2.4)根据建立的块体单元的表面轮换形状，建立每个块体对应的geometry单元集合；
(2.5)删除初始颗粒和块体单元，在指定区域内重新创建半径更小的填充颗粒用于填充晶粒，并根据步骤(2.4)中创建的几何体单元，对填充颗粒进行分组。
4.根据权利要求1所述的一种三维结构面岩体多尺度非连续模型建立和仿真方法，其特征在于，所述步骤(3)利用应力伺服原理，对试样施加边界约束和剪切加载速率，开展结构面岩体离散—连续耦合精细化剪切数值实验的具体步骤包括：
(3.1)给晶粒内部的颗粒接触赋予平行黏结模型(PBM)，并根据组成岩石的不同矿物的性质，对代表不同矿物内部的黏结模型赋予不同的参数；
(3.2)根据几何体单元(geometry)的位置，将几何体单元通过处的接触模型更换为光滑节理模型(SJM)并赋予合适参数用于代表晶粒与晶粒之间的接触；
(3.3)导入三维结构面数据，并将结构面通过处的模型转换为光滑节理模型，并赋予和晶间接触模型不同的参数。
5.根据权利要求1所述的一种三维结构面岩体多尺度非连续模型建立和仿真方法，其特征在于，所述步骤(4)利用应力伺服原理，对试样施加边界约束、竖向应力和剪切加载速率，开展结构面岩体离散—连续耦合精细化剪切数值实验的具体步骤包括：
(4.1)删除初始边界墙体重新生成加载板；
(4.2)通过伺服给数值模型施加竖向应力。设定伺服目标应力，根据伺服原理给墙体施加速度使墙体应力达到目标值；
(4.3)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；1
(4.4)开展耦合剪切试验，每一时步有限元与离散元彼此间进行数据交换，并在每隔一定时步记录试验的剪切应力和剪切位移；
(4.5)当剪切应变达到指定目标值，停止试验加载，保存计算结果。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310123641.5A CN116579195A (zh) | 2023-02-16 | 2023-02-16 | 一种三维结构面岩体多尺度非连续模型建立和仿真方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202310123641.5A CN116579195A (zh) | 2023-02-16 | 2023-02-16 | 一种三维结构面岩体多尺度非连续模型建立和仿真方法 |
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| CN202310123641.5A Pending CN116579195A (zh) | 2023-02-16 | 2023-02-16 | 一种三维结构面岩体多尺度非连续模型建立和仿真方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117282507A (zh) * | 2023-11-24 | 2023-12-26 | 昆明理工大学 | 一种通过识别球磨机内惰性区面积选择最优的磨矿介质配比方法 |
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2023
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN117282507A (zh) * | 2023-11-24 | 2023-12-26 | 昆明理工大学 | 一种通过识别球磨机内惰性区面积选择最优的磨矿介质配比方法 |
| CN117282507B (zh) * | 2023-11-24 | 2024-02-13 | 昆明理工大学 | 一种通过识别球磨机内惰性区面积选择最优的磨矿介质配比方法 |
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