[发明专利]一种真三轴伺服加载状态下的岩体破裂模拟方法及系统

说明书

本发明公开了一种真三轴伺服加载状态下的岩体破裂模拟方法及系统，所述方法包括：获取试件的三维实体模型；根据设定的颗粒级配及目标孔隙率，对所述三维实体模型进行颗粒填充，得到由离散元颗粒表示的颗粒试件模型；获取岩石样品的离散元微观参数取值，施加到所述颗粒试件模型；基于真三轴伺服加载程序对颗粒试件模型的周围进行应力的预加载，使得围压达到设定值；在保持围压稳定的前提下，逐步施加水压力，对裂隙起裂、扩展、贯穿过程进行数值模拟。本发明使得基于颗粒Bonding模型的三维离散元数值模拟方法可以定量研究真实应力环境中水力耦合作用下岩体破裂及裂纹扩展规律。

技术领域

本发明涉及数值计算技术领域，特别是涉及一种真三轴伺服加载状态下的岩体破裂模拟方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

隧道、地下硐室等地下工程修建面临高应力、大埋深、强渗透压的极端地质环境。岩体属于非均质材料，裂隙、结构面等天然缺陷极易在强渗透压、高地应力的耦合作用下扩展演化，进而改变岩体的宏观力学性质，发展成为影响工程安全建设的岩体结构破裂失稳，导致巨石垮塌和突水突泥等严重工程事故。因此，探究真实应力环境中水力耦合作用下岩体的破裂及裂纹扩展规律，揭示岩体的破裂机理，是防控重大事故、保障工程安全建设所亟需解决的关键问题。近年来，随着计算机硬件水平和数值计算方法的不断发展，采用大规模数值方法计算已经成为了研究真实应力环境中水力耦合作用下岩体破裂及裂纹扩展规律的有效手段。

目前，针对水力耦合作用下岩体破裂机理的数值研究手段主要可分为基于连续介质力学的方法和基于非连续介质力学的方法。基于连续介质力学的方法主要包括有限元法、边界元法、扩展有限元法和近场动力学等。其中有限元法通过引入非线性本构模型来反映裂隙剪胀特性，从而可以考虑宽裂隙对非线性法向变形的影响，主要采用网格重新划分的方式实现计算域内裂隙的动态扩展，但网格重构极大地降低了算法的效率；边界元法相较于传统的有限元法，只需划分不连续界面和结构边界，具有单元个数少、效率高等优势；扩展有限元法在标准有限元的基础上通过阶跃函数来表征不连续界面从而克服了传统有限元法的缺点，其裂隙扩展网格独立于有限元计算网格，有效提高了计算效率；近场动力学基于非局部作用的思想，通过引入颗粒间在物质点间相互作用力模型中加入等效水压力项，实现了在新生裂纹面上跟踪施加水压力，摆脱了传统方法求解不连续力学问题的局限。基于非连续介质力学的方法主要非连续变形分析法、数值流形法和离散元法等。其中非连续变形分析法基于连续介质分析法和统计损伤力学，可对岩石在渗流－应力耦合作用下损伤破坏机理进行研究；扩展的数值流形法通过在传统数值流形法中引入裂纹尖端奇异覆盖函数，从裂纹渐进扩展的角度，可用于研究分析水力劈裂破坏问题；离散元法利用基于概率分布的颗粒Bonding模型可以有效表征由于岩石的非均质特性引起地复杂力学行为，在模拟水力耦合作用下裂隙的起裂、扩展、贯通过程处于优势地位。

目前仅有二维离散元水力劈裂算法，尚没有一套成熟的基于三维离散元的水力劈裂算法。由于二维离散元水力劈裂模拟对真实模型进行了平面简化，无法模拟裂隙在三维空间内的扩展，难以再现裂隙的空间三维形态，因此亟需发展一套计算效率高、编程实现可靠的三维离散元水力劈裂算法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种真三轴伺服加载状态下的岩体破裂模拟方法及系统，使得基于颗粒Bonding模型的三维离散元数值模拟方法可以定量研究真实应力环境中水力耦合作用下岩体破裂及裂纹扩展规律。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种真三轴伺服加载状态下的岩体破裂模拟方法，包括：

获取试件的三维实体模型；

根据设定的颗粒级配及目标孔隙率，对所述三维实体模型进行颗粒填充，得到由离散元颗粒表示的颗粒试件模型；

获取岩石样品的离散元微观参数取值，施加到所述颗粒试件模型；