[发明专利]基于数值模拟确定柱状节理岩体各向异性比的方法

说明书

本发明公开一种基于数值模拟确定柱状节理岩体各向异性比的方法，步骤包括：通过有限元软件建立不同柱体倾角的柱状节理岩体试样；选择相应的本构模型，并赋予该本构模型所需的物理力学参数；设置该本构模型的计算条件、并调试计算程序，开展不同柱体倾角柱状节理岩体试样在不同围压条件下的数值模拟；提取数值模拟过程中的监测数据，计算柱状节理岩体各向异性比。本发明基于连续介质数值模拟可重复批量开展各向异性柱状节理岩体数值试验，分析不同应力状态下的柱状节理岩体各向异性，进而方便、快捷地确定各向异性比，而且，该方法基于大量数值试验，模拟结果更加真实可靠，对柱状节理岩体工程的设计、施工及支护方案等有着重要实践指导意义。

技术领域

本发明涉及一种确定岩体各向异性的方法，特别涉及一种采用数值模拟手段确定柱 状节理岩体各向异性比的方法，属于岩石力学与工程、岩土力学等领域。

背景技术

柱状节理是一种常见于玄武岩中的原生张性破裂构造，广泛分布于我国西南地区。 随着我国水电建设的发展，有越来越多的工程涉及到柱状节理岩体。柱状节理岩体是一 类具有特殊结构特征的岩体，其变形和强度等力学特性受结构面方向的影响而表现出明 显的各向异性性质。大量研究成果表明，在这种岩体中进行构筑物的建造，构筑物的走向于柱体倾角的关系对结构的稳定性有着至关重要的关系，因此深入认识并掌握柱状节理岩体各向异性力学特性对工程的设计与施工有着重要的指导意义。

针对柱状节理岩体各向异特性的研究，众多学者主要从以下几个方面：

(1)现场原位试验

有学者通过现场真三轴试验系统对柱状节理岩体开展了尺寸为50cm×50cm×100cm原位试验，获取了岩体在不同应力水平下的各向异性变形参数。原位试验能准确 反映工程实际情况，是获取岩体力学性质最直接的方法，但经济和时间成本极高，而且 可重复性和可控性较差，柱状节理多边形构造的随机性和现场试验仪器的尺寸也将导致 试验结果不具备典型性。

(2)室内模型试验

为了克服原位试验的不足，采用石膏、熟石灰、标准砂和水的混合物制作大尺寸相似结构柱状节理岩体模型试样，开展不同柱体倾岩体的室内模型试验研究，分析了各向 异性特征。在阐述问题机理性质和规律的揭示上，相似材料模型试验相比现场试验而言 有其特有的优势，但仍存在一定缺陷，比如人工制样的离散型，柱体强度不统一、节理 充填不完全等。

发明内容

发明目的：本发明的目的针对现有的各向异性研究方法存在的问题，提供一种基于 数值模拟确定柱状节理岩体各向异性比的方法，该方法通过重复批量开展各向异性柱状 节理岩体数值试验，自动提取监测数据并计算出柱状节理岩体各向异性比。

技术方案：本发明所述的基于数值模拟确定柱状节理岩体各向异性比的方法，包括 如下步骤：

步骤1，通过有限元软件建立不同柱体倾角的柱状节理岩体试样；

步骤2，选择相应的本构模型，并赋予该本构模型所需的物理力学参数；

步骤3，设置该本构模型的计算条件、并调试计算程序，开展不同柱体倾角柱状节理岩体试样在不同围压条件下的数值模拟；

步骤4，提取数值模拟过程中的监测数据，计算柱状节理岩体各向异性比。

上述步骤1中，在0～90°之间以10～15°的等间距设置柱体倾角。优选的，柱体倾角按照等间距10°设置，分别建立柱体倾角0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、 70°、80°和90°共10个试样。

具体的，步骤2中，根据柱状节理岩体的特点，选择有限差分计算软件里的应变软化模型(s-s model)作为柱状节理岩体的本构模型。相应的，该应变软化模型所需要的 物理力学参数包括：弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、抗拉强度、重度和剪胀角。