模拟节理化块状岩体力学行为的方法、装置、介质及设备

技术特征：
1.一种模拟节理化块状岩体力学行为的方法，其特征在于，包括以下步骤：获取待模拟岩石工程结构的几何模型；针对所述待模拟岩石工程结构的几何模型进行块体切割，使得切割所得的待模拟岩石工程结构相邻节理之间的间距为m级尺度，生成非连续变形分析块体，所述非连续变形分析块体的节理构成所述非连续变形分析块体的接触边界；针对每个所述每个非连续变形分析块体，进行模型化处理，得到所述非连续变形分析块体内包含的周期性重复块状节理，使得所述非连续变形分析块体内包含的周期性重复块状节理为cm级尺度；针对所述非连续变形分析块体涉及的m级尺度节理、cm级周期性重复块状节理进行数学模拟，获取所述非连续变形分析块体的刚度矩阵；根据所述非连续变形分析块体的刚度矩阵进行求解和分析，得到与所述非连续变形分析块体相对应的力学行为参数。2.根据权利要求1所述的模拟节理化块状岩体力学行为的方法，其特征在于，所述针对所述待模拟岩石工程结构的几何模型进行块体切割，使得切割所得的待模拟岩石工程结构相邻节理之间的间距为m级尺度，生成非连续变形分析块体，所述非连续变形分析块体的节理构成所述非连续变形分析块体的接触边界的步骤过程中，所述切割的方法为“显式”块体切割方法。3.根据权利要求1所述的模拟节理化块状岩体力学行为的方法，其特征在于，所述针对每个所述每个非连续变形分析块体，进行模型化处理，得到所述非连续变形分析块体内包含的周期性重复块状节理，使得所述非连续变形分析块体内包含的周期性重复块状节理为cm级尺度的步骤过程中，所述模型化处理采用的模型为cosserat块状模型，所述模型化处理的方法为采用cosserat块状模型以宏观等效的方式进行“隐式”模拟；其中，采用cosserat块状模型以宏观等效的方式进行“隐式”模拟的步骤过程中，所述非连续变形分析块体内包含的节理化块状岩体满足的条件包括：节理岩体视为由完整岩石和分割岩体的节理周期性重复所形成的复合结构体；岩石为均质和各向同性；节理组内的节理平直且平行发育，并具有相同的力学特性；节理组内的节理间距相等；变形与曲率都是无限小。4.根据权利要求3所述的模拟节理化块状岩体力学行为的方法，其特征在于，其特征在于，所述针对所述非连续变形分析块体涉及的m级尺度节理、cm级周期性重复块状节理进行数学模拟，获取所述非连续变形分析块体的刚度矩阵具体包括以下步骤：设平动位移分别为u、v，ω
c
为转动位移，则在整体坐标系下的应变及曲率为为转动位移，则在整体坐标系下的应变及曲率为为转动位移，则在整体坐标系下的应变及曲率为其中，ε
x
、ε
y
、ε
xy
和ε
yx
为对应于传统正应力和剪应力的应变；κ
x
和κ
y
是对应于偶应力的变
形，称为曲率。在块状模型中，因为坐标系下两坐标轴方向都有微结构，故选取分析单元体表面都有偶应力，考虑微元体力与力偶平衡，有平衡方程如下偶应力，考虑微元体力与力偶平衡，有平衡方程如下偶应力，考虑微元体力与力偶平衡，有平衡方程如下上式中f
x
,f
y
,m,分别为体积力与体积力偶，m
x
和m
y
为偶应力；σ
x
、σ
y
、σ
xy
和σ
yx
为对应于传统正应力和剪应力在弹性情况下σ＝[d]ε
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)[d]为弹性矩阵设k-块状材料的体积模量、g-为剪切模量，上式中系数为g
11
＝g g
c
,g
12
＝g-g
c
,g
22
＝g
11
其中，a，b分别为材料的固有尺度(如图3所示)；e、ν分别为岩块的弹性模量和泊松比；g
c
为cosserat剪切模量；将传统非连续变形分析块体的变量(u,v)
t
进行扩充以包括转动位移w
c
，使得在非连续变形分析实现cosserat块状模型，简洁起见，在块体的位移函数为一阶完备的多项式的情况下进行推导，非连续变形分析块体内任一点(x,y)的位移(u,v,w
c
)
t
的表达式如下则位移转换矩阵[t]如下式所示
单元应变矩阵的表达式如下记[ε]＝[b][d]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)[σ]＝[d][b][d]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)其中，[d]已由(4)式给出，[b]的表达式如下则块体弹性应变能π
e
的表达式如下上式积分块体单元内进行，t为厚度，块体单元i的弹性应变能计算公式如下通过对单元应变能π
e
求导，得到块体单元的刚度矩阵[k
ii
]如下5.根据权利要求4所述的模拟节理化块状岩体力学行为的方法，其特征在于，所述根据所述非连续变形分析块体的刚度矩阵进行求解和分析，得到与所述非连续变形分析块体相
对应的力学行为参数的步骤过程中，所述刚度矩阵中每一元素均通过单纯形积分解析得到。6.根据权利要求1所述的模拟节理化块状岩体力学行为的方法，其特征在于，所述根据所述非连续变形分析块体的刚度矩阵进行求解和分析，得到与所述非连续变形分析块体相对应的力学行为参数的步骤过程中，所述力学行为参数包括位移、应变、应力中的一个或者几个参数。7.根据权利要求4所述的模拟节理化块状岩体力学行为的方法，其特征在于，所述针对所述非连续变形分析块体涉及的m级尺度节理、cm级双组斜交节理进行数学模拟，获取所述非连续变形分析块体的刚度矩阵的步骤过程中，对于惯性矩阵和接触计算相关的矩阵，因为位移变量中的转动位移w
c
不参与计算，各核心子矩阵的计算与组装流程与常规的非连续变形分析相同。8.一种模拟节理化块状岩体力学行为的装置，其特征在于，包括：几何模型获取模块，用于获取待模拟岩石工程结构的几何模型；块体切割模块，用于针对所述待模拟岩石工程结构的几何模型进行块体切割，使得切割所得的待模拟岩石工程结构相邻节理之间的间距为m级尺度，生成非连续变形分析块体，所述非连续变形分析块体的节理构成所述非连续变形分析块体的接触边界；模型化处理模块，用于针对每个所述每个非连续变形分析块体，进行模型化处理，得到所述非连续变形分析块体内包含的周期性重复块状节理，使得所述非连续变形分析块体内包含的周期性重复块状节理为cm级尺度；刚度矩阵获取模块，用于针对所述非连续变形分析块体涉及的m级尺度节理、cm级周期性重复块状节理进行数学模拟，获取所述非连续变形分析块体的刚度矩阵；求解和分析模块，用于根据所述非连续变形分析块体的刚度矩阵进行求解和分析，得到与所述非连续变形分析块体相对应的力学行为参数。9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有模拟节理化块状岩体力学行为的程序，所述模拟节理化块状岩体力学行为的程序在被处理器执行时，实现权利要求1-7中任一所述的模拟节理化块状岩体力学行为的方法的步骤。10.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有模拟节理化块状岩体力学行为的程序，所述模拟节理化块状岩体力学行为的程序在被所述处理器执行时，实现权利要求1-7中任一所述的模拟节理化块状岩体力学行为的方法的步骤。

技术总结
公开了一种模拟节理化块状岩体力学行为的方法、装置、介质及设备，属于岩石力学数值模拟技术领域。该方法包括：获取待模拟岩石工程结构的几何模型；块体切割，使得切割所得的待模拟岩石工程结构相邻节理之间的间距为m级尺度，生成非连续变形分析块体，其节理构成非连续变形分析块体的接触边界；模型化处理，得到非连续变形分析块体内包含的周期性重复块状节理，使得非连续变形分析块体内包含的周期性重复块状节理为cm级尺度；数学模拟，获取非连续变形分析块体的刚度矩阵；求解和分析，得到力学行为参数。该装置、介质及设备能够用于实现该方法。其建立连续-非连续耦合的双尺度模型，从而可以实现对节理化块状岩体更为精确和高效的模拟。高效的模拟。高效的模拟。


技术研发人员：卢波 徐栋栋 朱杰兵 汪斌 胡伟 朱瑜劼 刘小红 曾平 王复兴
受保护的技术使用者：长江水利委员会长江科学院
技术研发日：2022.08.19
技术公布日：2022/11/11