[发明专利]一种采水型地裂缝数值模拟方法

摘要

本发明公开了一种采水型地裂缝数值模拟方法，采用钝化断裂带模型表征地裂缝，将土体破坏分为完整、微裂隙产生和宏观裂缝产生三个阶段，在模拟计算过程中，若有单元小主应变达到完整阶段与微裂隙产生阶段之间的临界应变时，该单元进入软化阶段，在软化阶段，应力随着应变的增加而减小；若有单元小主应变达到软化阶段与宏观裂缝阶段之间的临界应变时，对该单元在裂缝法线方向上的刚度进行折减，从而修正该破坏单元的应力应变矩阵。本发明方法不需要事先给定地裂缝的位置及其地裂缝发生后的扩展方向，能够客观、真实地模拟和预测地下水开采引起的地裂缝，并且在地裂缝出现及扩展后也不需要重新划分网格，计算工作量较小。

主权项

1.一种采水型地裂缝数值模拟方法，其特征在于，所述方法采用钝化断裂带模型表征地裂缝，所述钝化断裂带模型将土体破坏分为完整、微裂隙产生和宏观裂缝产生三个阶段，通过两个临界应变和划分所述三个阶段；其中f_t为土体的抗拉强度，E为土体拉伸模量，G_f为裂缝能量释放率临界值，w_c为与土体单元尺寸有关的断裂带宽度；所述模拟方法具体步骤包括：(1)建立开采地下水引起的地层移动模型，并根据模拟的具体情况设定初始条件和边界条件；(2)对模拟区域进行有限元网格剖分，得到地层移动模型的有限元的离散形式：其中K为整体劲度矩阵，K′为整体结点孔隙水压力和结点位移的耦合矩阵，为整体渗透矩阵，Δw和Δp分别为整体结点位移增量和整体结点孔隙水压力增量，F为整体结点外荷载，w_t‑1和p_t‑1分别为上一时间步结束时的整体结点位移和整体结点孔隙水压力，Q为源汇项，Δt为时间步长增量；(3)考虑初始条件和边界条件，求解步骤(2)中的方程组，得到当前时间步的整体结点位移增量和整体孔隙水压力增量，从而得到各单元的应变增量和应力增量，进而得到各单元的累计应变和应力；(4)判断是否有单元小主应变达到临界应变ε₀，若达到则该单元进入软化阶段，在软化阶段，应力随着应变的增加而减小；判断是否有单元小主应变达到临界应变ε_f，若达到则该单元产生破坏，出现垂直于小主应变方向的宏观裂缝，在宏观裂缝出现后，对该单元在裂缝法线方向上的刚度进行折减，从而修正该破坏单元的应力应变矩阵；(5)返回步骤(2)，进行下一时间步的计算，直至所有时间步模拟结束。