一种基于连续介质的工程岩体破裂劣化数值模拟方法

摘要

本发明公开了一种基于连续介质的工程岩体破裂劣化数值模拟方法，它包括建立工程对象数值模型步骤，选择工程对象数值模型中岩体的本构模型，并赋予该本构模型相应力学参数步骤，设置工程对象数值模型边界条件步骤，对工程对象数值模型进行开挖并执行工程岩体破裂劣化迭代计算，获取模拟结果，根据研究对象进行研究分析。本发明在保留原始数值迭代计算基础上，加入了围岩中应力重新分布过程中裂隙受开挖扰动的动态发展及导致围岩杨氏模量劣化，由现场实地观测或理论经验估算所得数据反演得到劣化后残余杨氏模量，能够使基于连续介质的数值模拟过程更加合理严谨，进而使数值模拟结果更加真实可靠。

主权项

一种基于连续介质的工程岩体破裂劣化数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：建立工程对象数值模型通过有限元数值模拟软件FLAC3D建立工程对象的数值模型并划分计算网格，在重点研究位置加密网格，得到体积更小、分布更密的岩体单元格和节点，从而提高模拟精度；第二步：选择工程对象数值模型中岩体的本构模型，并赋予该本构模型相应力学参数具体包括以下步骤：第2.1步：将工程对象数值模型中各类岩体的力学模型设置为FLAC3D中内置的应变软化模型，按照应变软化模型所要求的材料参数对各类岩体赋予相应的材料参数，包括：杨氏模量、泊松比、体积力、内聚力、内摩擦角、抗拉强度、残余内聚力和塑性应变量；第2.2步：基于地质强度指标体系GSI，使用如下公式建立岩体裂隙发育程度与残余杨氏模量的量化关系：$E_r=\sqrt{\frac{{\sigma }_m}{100}}·{10}^{\left(\frac{{\mathrm{GSI}}_t-10}{40}\right)}---\left(1\right)$式中，E_r为岩体拉伸破坏后裂隙发育作用下的残余杨氏模量，σ_m为岩体抗压强度，由岩石物理力学性质试验和岩体强度估算得到，GSI_t为岩体受拉伸破坏产生的裂隙发育程度；第2.3步：由工程现场实地观测或理论经验估算获得的岩体裂隙发育程度GSI_t，通过公式②得到劣化后的残余杨氏模量；第三步：设置工程对象数值模型边界条件根据工程对象和研究目标设置工程对象数值模型边界条件，包括施加重力、应力限定边界和位移限定边界，模拟工程对象数值模型初始应力场；第四步：工程对象数值模型开挖并执行工程岩体破裂劣化迭代计算具体计算包括以下步骤：第4.1步：将工程对象数值模型需开挖部分定义为空模型；第4.2步：进行FLAC3D所采用的显式有限差分计算方法进行迭代计算，计算达某一时步数(可由使用者根据情况自由设定)暂停计算；第4.3步：检查模型最大不平衡力是否低于默认标准值(1e‑5)，若低于则模型达到平衡状态，模拟运算结束；若模型尚未达到平衡状态，则遍历工程对象数值模型中全部岩体单元并检测每个单元的破坏状态，识别并标记当前运算状态下模型中破坏状态为拉伸破坏的岩体单元；第4.4步：对模型中全部标记为拉伸破坏的岩体单元赋予由裂隙发育导致的残余杨氏模量，其数值通过第二步得到；第4.5步：继续进行显式有限差分迭代计算，计算达第4.2步设定的时步数后重复步骤第4.3至第4.5步，直至工程对象数值模型达到平衡状态；第五步：模拟运算结束得到数值模拟结果并分析研究获取模拟结果，根据研究对象进行研究分析，从而为岩土工程、采矿工程围岩失稳机理分析、稳定性控制对策研究和支护方案设计提供有效可靠的指导依据。