[发明专利]基于PFC的岩体非均质模型的构建与应用

说明书

本发明公开了一种基于PFC的岩体非均质模型的构建与应用，旨在解决现有数值分析模型无法充分表现或表征岩体材料空间变异性的技术问题。在PFC中采用Karhunen–Loeve理论分解生成黏结强度随机场，从细观角度模拟岩石的不均匀性；采用蒙特卡洛思想，对每种工况计算至收敛为止；再通过与室内试验结果相结合，分析随机场中数值试件的强度以及破裂模式的离散性。本发明随机场模型能够更好的表现岩体的空间变异性，不同点之间的参数存在变异性，能够充分反映岩体材料内部参数之间的不均匀性。

技术领域

本发明涉及岩体工程技术领域，具体涉及一种基于PFC的岩体非均质模型的构建与应用。

背景技术

受地质构造运动的影响，自然界的岩石在微观上是多种矿物的集合体，其力学参数表现出较强的空间变异性，其微观强度之间表现出显著的相关性。边坡、隧洞以及地下厂房等工程一般位于地表或者埋深几百米甚至几十米范围内，其岩石力学参数的空间变异性尤为显著；如果对岩体的非均质认识不足，在建筑工程分析以及设计中会大幅度提高不确定风险，特别是岩体强度的非均质对边坡工程、地震、地基稳定性以及地下工程支护结构设计等方面有重要的影响。

由于岩体强度的非均质性，ISRM建议岩石的单轴以及三轴试验至少应做3～5个岩样，取其平均值作为岩石的代表值。然而，大量的室内试验结果发现，3～5个岩样依然无法评估岩石的变异性，需要做更多的岩样以评估其力学参数的随机性。而工程实际中，由于经费以及场地的原因，多数情况下对同一地层较难获得大量的试验数据进行统计分析；因此，采用数值分析手段研究岩体材料空间变异性的规律成为了一个有效途径。

在数值分析中引入随机场，进而采用概率统计分析实际工程问题成为一个研究的热点。借助有限元以及有限差分等数值分析软件，随机场理论在隧道沉降、边坡稳定性、地基承载力等工程问题的数值分析中得到了应用。然而传统的数值分析软件依然无法模拟裂纹的扩展演化。为了模拟裂纹的扩展演化，PFC(Particle Flow Code，颗粒流程序)作为一种典型离散元软件，在岩体的模拟领域得到了广泛应用。在PFC中，颗粒之间的黏结通常采用平行粘结模型模拟岩体的力学特征。

岩体力学参数的随机性是由其内部结构的不均匀特征引起的，如节理、空隙以及矿物的各向异性等特征，而岩体的强度往往与最弱处相关。当前室内试验统计结果多以均值和标准差来衡量岩石的变异性，然而仅用均值和标准差难以有效的表征出参数的空间变异性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于PFC的岩体非均质模型的构建与应用，以解决现有数值分析模型无法充分表现或表征岩体材料空间变异性的技术问题。

在PFC中数值试件的强度主要取决于颗粒之间的黏结强度参数，因此为了模拟岩体强度的非均质性，发明人基于长期实践研究提出在PFC中采用Karhunen–Loeve(K-L)理论分解生成黏结强度随机场，从细观角度模拟岩石的不均匀性；采用蒙特卡洛思想，对每种工况计算至收敛为止；再通过与室内试验结果相结合，分析随机场中数值试件的强度以及破裂模式的离散性。具体技术方案如下：

设计一种基于PFC的岩体非均质模型的构建方法，包括如下步骤：

(1)试件配置：制备待模拟岩体的实物试件，并基于实物试件大小生成PFC数值试件；

(2)细观参数初步标定：检测获取实物试件的细观参数，并据此标定数值试件的细观参数；

(3)接触中心坐标获取：提取数值模型颗粒之间接触的中心坐标；

(4)黏结强度随机场生成：以对应的自相关函数表征颗粒强度接触参数的空间分布特征；然后输入细观强度的正态分布的均值、变异系数和相关距离；基于K-L分解生成M个黏结强度随机场；