[发明专利]一种基于连续介质的工程岩体破裂劣化数值模拟方法

说明书

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。

技术领域

本发明涉及岩石力学与工程、采矿工程领域，特别是关于裂隙岩体围岩稳定性分析与控制设计优化数值模拟技术领域。

背景技术

在岩土工程的隧道、矿业、水电、核电等领域，尤其是地下工程中，人为开挖扰动打破了围岩的原始应力状态，引起围岩中应力的重新分布。这一过程使得岩石中原生的宏观和微观裂隙发育、扩展甚至彼此贯通，使围岩的力学性质劣化并发生不同程度的变形和破坏，从而影响围岩的稳定性。围岩的稳定性控制是岩土工程领域的重要研究课题，对保证安全、高效的施工和生产有着重要意义。

近年来在分析围岩失稳机理、研究围岩控制对策、设计支护方案等领域，数值模拟研究方法被越来越多的学者所采用。当下岩土工程中广泛采用的数值模拟方法主要有如下几种：

1、有限元法

有限元法可以灵活的划分不规则的网格单元以模拟不同形状的仿真对象，具有广泛的应用性和较高的计算精度，但其计算过程复杂、计算量庞大，使其在进行较大范围和规模、介质复杂工程的模拟中存在局限。

2、有限差分法

有限差分法是目前岩土工程领域应用较广的计算发法，用均匀的网格划分求解域，用有限个离散点的差分代替微分，具有较高的计算效率，适用于较大范围和规模、介质复杂的工程模拟。

3、离散元法

离散元法是解决不连续介质问题的数值模拟方法。该方法将模拟对象视为由离散的岩体单元和单元间的节理面所组成，允许单元的平移、转动和变形，而节理面可被压缩、分离或滑动。离散元法适用于模拟已知节理结构的对象，但节理的参数很难合理估算且解决三维问题时会带来巨大的存储量和计算量。

上述方法中有限元法和有限差分法均采用连续介质力学。离散元法中节理的力学参数需要用户自行定义，但这部分力学参数很难准确估算，节理参数的选取不当会极大影响离散元法的计算结果，无法对工程实际进行准确的模拟和仿真。在不专门针对裂隙发育、扩展的围岩稳定性数值模拟中，基于连续介质的有限元发和有限差分法凭借其较高的计算效率和准确的计算结果在国内外得到更广泛的使用。

大量国内外研究指出岩石中裂隙的产状和发育程度与岩体的力学参数(尤其是杨氏模量)有直接关系，因此在围岩稳定性分析中，特别是软弱、破碎围岩环境下，岩石中裂隙受开挖扰动的动态发育、扩展及导致围岩杨氏模量劣化对围岩失稳机理、控制对策研究、支护方案设计等具有重要影响，是不可忽略的。因此，基于连续介质数值模拟方法，保证计算准确性和高效性的前提下，将围岩中裂隙发展引起的岩体杨氏模量劣化考虑在内，对提高数值模拟过程合理性和结果可靠性均有重要意义。

发明内容

为了更好分析围岩失稳机理，研究围岩控制对策和设计支护方案，本发明克服现有数值模拟技术的不足，提出了一种基于连续介质的工程岩体破裂劣化数值模拟方法，能够动态的实现岩体单元破坏状态识别和杨氏模量随裂隙发育而衰减劣化。

本发明提出的基于连续介质的工程岩体破裂劣化数值模拟方法包括以下步 骤：

第一步：建立工程对象数值模型