[发明专利]一种各向异性岩体应力-损伤-渗流耦合数值模拟方法

说明书

本发明实施例公开了一种各向异性岩体应力‑损伤‑渗流耦合数值模拟方法，其包括S1、基于Hoek‑Brown准则，创建各向异性岩体弹塑性损伤模型；S2、对各向异性岩体弹塑性损伤模型的进行数值求解；S3、建立各向异性的渗透系数演化方程；S4、建立应力‑渗流耦合作用下的岩土体平衡方程和连续性方程，并对应力场和渗流场进行离散以建立各向异性岩体应力‑损伤‑渗流耦合有限元求解模型；S5、给定工程条件即施加边界条件进行岩体应力‑渗流场进行耦合分析以获取当前工程条件对应的安全性评价数据。本发明能够综合考虑各向异性特征、结构面强度、塑性损伤和渗流作用对岩体稳定性的影响，并对耦合模型的精确求解，对复杂条件下岩土工程稳定性分析具有良好的指导意义。

技术领域

本发明涉及隧道稳定分析技术领域，尤其涉及一种各向异性岩体应力-损伤-渗流耦合数值模拟方法。

背景技术

由于岩体中存在层理、节理、片理等结构面，且受加载方向不同的影响，其变形和强度特性表现出各向异性。此外，在实际工程中，机械或爆破开挖还会对周围岩体产生应力扰动，使其内部裂隙、微缺陷等聚核发育，形成损伤，造成岩体宏观力学性质发生弱化。对处于富水区的岩土工程而言，地下水的渗流现象十分明显，其产生的动水压力造成岩体应力场发生变化，使其裂隙进一步扩展，再次加剧了岩体内部的损伤程度，对工程安全造成威胁。因此，在进行岩土工程稳定性评价时，有必要考虑岩体的各向异性-损伤-渗流的耦合特性。

尽管国内外研究人员对各向异性岩体强度准则展开了研究，如杨强等通过引入一个二阶损伤张量的方法，建立了基于Mohr-Coulomb准则(M-C)的各向异性节理岩体的抗剪屈服准则隐式表达式；如周鹏发等对遍布节理模型进行了改进，使其能够同时考虑岩石强度和弹性变形的各向异特征，并基于此模型研究了千枚岩隧道的施工力学特性；如张思渊，张玉军等引入微结构-无迹张量理论，提出了一种双重孔隙-裂隙介质中凝聚力及摩擦角随方向变化的表征方法并基于此对含裂隙的矩形地下洞室进行了三维有限元分析；又如赵东雷等通过试验研究了层理倾角对弹性模量，泊松比和抗压强度的影响，并引入了基于Weibull分布的损伤变量演化方程，建立层状岩体的各向异性损伤模型。综上可知，基于Hoek-Brown准则(H-B)的岩体各向异性损伤数值计算模型尚未有前人进行研究。

另，尽管在岩体屈服准则中，Hoek-Brown准则(H-B)能够反映结构面、应力状态对强度的影响以及岩体固有的非线性破坏特点，因此被广泛应用于岩土工程稳定性评价当中。但传统H-B准则不能反映岩体的各向异性特征，对此，众学者尝试对H-B准则进行了改进。胡巍等引入CSMR评分系统对H-B准则中的参数mb、s进行修正，使其能够考虑结构面特征(倾角、倾向等)对强度值的影响。Saroglou、朱广照等室内试验将参数mi表示为结构面倾角β的函数形式。宋建波等认为结构面滑动破坏遵循M-C准则，基岩破坏遵循H-B准则，并利用此方法对层状岩体强度进行了估算。李良权等引入与岩体微结构张量和加载方向相关的各向异性参数对岩石参数mb和s进行修正。但是上述研究成果中仍存有一定的不足之处：1.基于各向异性H-B准则的弹塑性损伤模型尚未见报导；2.由于H-B准则存在数值奇异点的问题，现有研究多从试验角度出发，未形成相关的数值计算模型和方法；3.在利用Hoek-Brown准则进行工程稳定性评价时，未考虑渗流作用的影响及岩体的各向异性应力-损伤-渗流耦合特性。

发明内容

基于此，为解决在现有技术所存在的不足，特提出了一种各向异性岩体应力-损伤-渗流耦合数值模拟方法。

一种各向异性岩体应力-损伤-渗流耦合数值模拟方法，其特征在于，包括：