模拟空间层状结构岩体力学行为的方法、装置、介质及设备

1.本发明涉及的岩石力学数值模拟技术领域，特别是涉及模拟空间层状结构岩体力学行为的方法、装置、介质及设备。


背景技术：

2.沉积岩在地壳浅表部广泛分布，其重要特征是发育有一组平行或近平行、延伸性好、产状稳定且间距不等的层面，从而形成特定的层状岩体结构。层面导致层状岩体的变形和强度特征呈现显著的各向异性，而且是影响工程结构变形和稳定性的控制性因素。因此，需要对空间层状岩体更为精确和高效的模拟。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供了一种模拟空间层状结构岩体力学行为的方法、装置、介质及设备，在三维非连续变形分析的框架下实现cosserat层状力学模型，建立三维连续-非连续耦合的双尺度模型，从而可以实现对空间层状岩体更为精确和高效的模拟，从而更加适于实用。
4.为了达到上述第一个目的，本发明提供的模拟空间层状结构岩体力学行为的方法的技术方案如下：
5.本发明提供的模拟空间层状结构岩体力学行为的方法包括以下步骤：
6.获取待模拟空间层状结构岩体的几何模型；
7.针对所述待模拟空间层状结构岩体的几何模型进行块体切割，使得所述块体在切割后形成的层面相邻两层面之间的间距为m级尺度，生成三维非连续变形分析块体，所述三维非连续变形分析块体的层面构成所述三维非连续变形分析块体的接触边界；
8.针对每个所述每个三维非连续变形分析块体，进行模型化处理，得到所述三维非连续变形分析块体内包含的层面，使得所述三维非连续变形分析块体内包含的层面相邻两层面之间的间距为cm级尺度；
9.针对所述三维非连续变形分析块体涉及的m级尺度层面、cm级尺度层面进行数学模拟，获取所述三维非连续变形分析块体的刚度矩阵；
10.根据所述三维非连续变形分析块体的刚度矩阵进行求解和分析，得到与所述三维非连续变形分析块体相对应的力学行为参数。
11.本发明提供的模拟空间层状结构岩体力学行为的方法还可采用以下技术措施进一步实现。
12.作为优选，所述针对所述待模拟空间层状结构岩体的几何模型进行块体切割，使得所述块体在切割后形成的层面相邻两层面之间的间距为m级尺度，生成三维非连续变形分析块体，所述三维非连续变形分析块体的层面构成所述三维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。
13.作为优选，所述针对每个所述每个三维非连续变形分析块体，进行模型化处理，得
到所述三维非连续变形分析块体内包含的层面，使得所述三维非连续变形分析块体内包含的层面相邻两层面之间的间距为cm级尺度的步骤过程中，所述模型化处理采用的模型为cosserat层状模型，所述模型化处理的方法为采用cosserat层状模型以宏观等效的方式进行“隐式”模拟；
14.其中，采用cosserat层状模型以宏观等效的方式进行“隐式”模拟的过程中，所述三维非连续变形分析块体内包含的层面满足的条件包括：层状岩体视为由完整岩石层和分割岩层的层面周期性重复所形成的复合结构体；岩石层为均质和各向同性；层面平直且平行发育，并具有相同的力学特性；层面间距相等且只有一组层面；变形与曲率无限小。
15.作为优选，所述cosserat层状模型的数学模型中各参数包括：
16.位移-[u θ]＝[u
1 u
2 u
3 θ
1 θ
2 θ3]，其中，u为平动自由度，θ为转动自由度，
[0017]
在整体坐标系下的应变-γ＝[γ
11 γ
22 γ
33 γ
23 γ
32 γ
13 γ
31 γ
12 γ
21
]，
[0018]
在整体坐标系下的曲率-κ＝[κ
11 κ
22 κ
33 κ
23 κ
32 κ
13 κ
31 κ
12 κ
21
]，
[0019]
应力-σ＝[σ
11 σ
22 σ
33 σ
23 σ
32 σ
13 σ
31 σ
12 σ
21
]，
[0020]
力偶-μ＝[μ
11 μ
22 μ
33 μ
23 μ
32 μ
13 μ
31 μ
12 μ
21
]，
[0021]
应变表达式-γ
ij
＝u
j,i-e
ijk
θkꢀꢀꢀ
(1a)
[0022]
曲率表达式-κ
ij
＝-θ
i,j
ꢀꢀꢀ
(1b)。
[0023]
作为优选，所述针对所述三维非连续变形分析块体涉及的m级尺度层面、cm级尺度层面进行数学模拟，获取所述三维非连续变形分析块体的刚度矩阵具体包括以下步骤：
[0024]
为了能够在3d-dda实现cosserat介质模型，需要将传统dda块体的变量u进行扩充以包括转动位移θ，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。三维非连续变形分析块体内任一点(x,y,z)的具有3个平动位移和3个转动位移，即(u1,u2,u3,θ1,θ2,θ3)
t
，其一阶函数表达式
[0025][0026]
记三维非连续变形分析块体内任一点位移的矩阵表达式为
[0027][0028]
其中，位移转换矩阵t如下式所示
[0029][0030]
[d]为待求解的未知数系数
[0031]
[d]＝[a
11 a
21 a
31 a
41 a
51 a
61 a
12 a
22 a
32 a
42 a
52 a
62 a
13 a
23 a
33 a
43 a
53 a
63 a
14 a
24 a
34 a
44 a
54 a
64
]
t
ꢀꢀꢀ
(5)
[0032]
由(1)式得
[0033][0034]
其中
[0035][0036][0037]
[0038]
将式(4)和式(7)代入式(6)则得到b矩阵
[0039][0040]
考虑微元体力与力偶平衡，有平衡方程如下
[0041]
σ
ij,i
fi＝0
ꢀꢀꢀ
(9a)
[0042]
mk μ
kj,j
e
kij
σ
ij
＝0
ꢀꢀꢀ
(9b)
[0043]
上式中，fi,mk分别为体积力与体积力偶；μ
ij
为偶应力；
[0044]
采用cosserat层状介质模型的三维非连续变形分析块体的弹性本构方程表示为
[0045][0046]
其中
[0047]
[0048][0049][0050][0051][0052][0053][0054][0055]g22
＝g g
11
ꢀꢀꢀ
(12i)
[0056]
上式中，e-岩体弹性模量，ν-泊松比，g-岩体剪切模量，k
n-层面的法向刚度，k
s-层面的剪切刚度，h-层面间距，b-抗弯刚度；
[0057]
通过坐标变换矩阵r，得到整体坐标系下的弹性矩阵d
*
。
[0058]d*
＝r
t
dr
ꢀꢀꢀ
(13)
[0059]
r通过局部坐标轴相对于整体坐标系下x1、x2、x3的转角φ、和ψ获得
[0060][0061][0062]
[0063][0064]
得到三维非连续变形分析块体的应力表达式
[0065][0066]
根据弹性力学最小势能原理，得到三维非连续变形分析块体的刚度矩阵
[0067]
[k]＝∫vb
td*
bdv
ꢀꢀꢀ
(16)。
[0068]
作为优选，所述根据所述三维非连续变形分析块体的刚度矩阵进行求解和分析，得到与所述三维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[k]＝∫vb
td*
bdv中每一项均通过单纯形积分解析得到。
[0069]
作为优选，所述根据所述三维非连续变形分析块体的刚度矩阵进行求解和分析，得到与所述三维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。
[0070]
作为优选，所述针对所述非连续变形分析块体涉及的m级尺度层面、cm级层面进行数学模拟，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，可以看到，因为位移变量中的转动位移θ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。
[0071]
为了达到上述第二个目的，本发明提供的模拟空间层状结构岩体力学行为的装置的技术方案如下：
[0072]
本发明提供的模拟空间层状结构岩体力学行为的装置包括：
[0073]
几何模型获取模块，用于获取待模拟空间层状结构岩体的几何模型；
[0074]
块体切割模块，用于针对所述待模拟空间层状结构岩体的几何模型进行块体切割，使得所述块体在切割后形成的层面相邻两层面之间的间距为m级尺度，生成三维非连续变形分析块体，所述三维非连续变形分析块体的层面构成所述三维非连续变形分析块体的接触边界；
[0075]
模型化处理模块，用于针对每个所述每个三维非连续变形分析块体，进行模型化处理，得到所述三维非连续变形分析块体内包含的层面，使得所述三维非连续变形分析块体内包含的层面相邻两层面之间的间距为cm级尺度；
[0076]
刚度矩阵获取模块，用于针对所述三维非连续变形分析块体涉及的m级尺度层面、cm级尺度层面进行数学模拟，获取所述三维非连续变形分析块体的刚度矩阵；
[0077]
求解和分析模块，用于根据所述三维非连续变形分析块体的刚度矩阵进行求解和分析，得到与所述三维非连续变形分析块体相对应的力学行为参数。
[0078]
为了达到上述第三个目的，本发明提供的计算机可读存储介质的技术方案如下：
[0079]
本发明提供的计算机可读存储介质上存储有模拟空间层状结构岩体力学行为的程序，所述模拟空间层状结构岩体力学行为的程序在被处理器执行时实现本发明提供的模拟空间层状结构岩体力学行为的方法的步骤。
[0080]
为了达到上述第四个目的，本发明提供的电子设备的技术方案如下：
[0081]
本发明提供的电子设备包括存储器和处理器，所述存储器上存储有模拟空间层状结构岩体力学行为的程序，所述模拟空间层状结构岩体力学行为的程序在被所述处理器执行时实现本发明提供的模拟空间层状结构岩体力学行为的方法的步骤。
[0082]
本发明提供的模拟空间层状结构岩体力学行为的方法、装置、介质及设备以非连续变形分析方法为主体程序架构，充分发挥其“显式”模拟层面非连续大变形接触力学行为的优势，将部分层面以“显式”的方式纳入计算模型，这些“显式”纳入计算模型的层面切割岩体形成的厚度为m级；m间距的层面切割计算模型生成dda块体，形成空间层状结构岩体的基本架构；对于厚度为m级的dda块体，其中含有大量cm级间距的层面，则采用模型化处理层状介质模型进行宏观等效模拟；这样建立三维连续-非连续耦合的双尺度模型，可以实现对空间层状结构岩体更为精确和高效的模拟。其能够充分反映层面对于空间层状结构岩体变形和强度两个方面的影响，从而充分反映层面对工程岩体变形和稳定的控制效应；同时，又有效地避免将所有的层面纳入计算模型，兼顾了计算效率和求解精度。
附图说明
[0083]
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
[0084]
图1为本发明实施例提供的模拟空间层状结构岩体力学行为的方法的步骤流程图；
[0085]
图2为本发明实施例提供的模拟空间层状结构岩体力学行为的方法涉及的模拟空间层状结构岩体的三维连续-非连续耦合双尺度模型示意图，其中，图2a为层状岩体结构示意图，图2b为完整的岩石结构示意图，图2c为三维非连续变形离散块体模型结构示意图，图2d为双尺度模型结构示意图；
[0086]
图3为本发明实施例提供的模拟空间层状结构岩体力学行为的方法涉及的cosserat层状介质微元体的示意图；
[0087]
图4为本发明实施例提供的模拟空间层状结构岩体力学行为的装置涉及的各功能模块之间的信号流向关系示意图；
[0088]
图5为本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的模拟空间层状结构岩体力学行为的设备结构示意图。
具体实施方式
[0089]
本发明为解决现有技术存在的问题，提供一种模拟空间层状结构岩体力学行为的方法、装置、介质及设备，在三维非连续变形分析的框架下实现cosserat层状力学模型，建立三维连续-非连续耦合的双尺度模型，从而可以实现对空间层状岩体更为精确和高效的模拟，从而更加适于实用。
[0090]
发明人经过长期艰苦卓绝的努力，发现，
[0091]
在对层状结构岩体进行力学分析时，对于层面的模拟有“隐式”(implicit method)和“显式”(explicit method)两种处理方式。“隐式”的处理方式即层面在计算模型中不以几何实体的方式直接出现，其力学效应则通过对岩体的本构模型进行必要的修改来
体现，得到所谓宏观等效力学模型。1977年zienkiewicz等人提出并得到广泛应用的遍布节理模型即属于此类。遍布节理模型的本质是在判断单元是否发生塑性屈服时，增加了沿特定产状层面的屈服条件；也即考虑了层面对岩体强度特性的影响，但并没有考虑层面对岩体变形特性的影响。
[0092]
建立层状岩体宏观等效力学模型的另一种有效途径是采用cosserat理论，cosserat单元体具有特征尺度，可以考虑层状岩体具有宏观构造的影响；因此，对于层状岩体内蕴结构特性的力学模拟具有理论上的优越性。bogan从数学上证明了cosserat模型的可行性。adhikary等人考察了层状边坡的屈曲变形及层状岩体地下开挖的变形并与节理单元模拟方法进行了对比。mtihlhaus在将cosserat理论应用于岩土工程方面开展了较为系统的研究工作。azadeh.r.d应用cosserat理论在有限元(fem)架构下对层状岩体的三维模拟开展了研究工作。国内陈胜宏等首先运用约束cosserat理论考察了偶应力对节理岩体应力的影响；葛修润等采用约束转动cosserat介质理论建立了双组斜交节理体模型；佘成学等对反倾向岩层的屈曲倾倒破坏进行了理论与实验研究；刘俊等研究了偶应力理论及其在层状岩体中的应用。总体来看，cosserat层状力学模型相对于遍布节理模型而言，其优势在于可以同时考虑层面对于岩体变形特性和强度特性的影响，并且在模拟层状岩体的弯曲方面具有显著的优势。
[0093]
以“显式”的方式模拟层面时，层面作为真实的几何实体在计算模型中直接出现；有限单元法(fem)中的goodman单元、desai薄层单元和katona的接触-摩擦界面单元等均属于为模拟此类力学间断面而引进的特殊单元。然而，囿于连续介质力学自身的局限，模拟大量的力学间断面较为困难，以离散单元法(dem)和非连续变形分析(dda)为代表的离散介质力学分析方法则具有天然的优势。在dem或dda中，“显式”存在的层面则作为切割形成岩体块体系统的结构面出现并构成离散块体之间的边界。然而，由于接触力学固有的困难和计算量巨大导致在实际工程计算中也难以实现在计算模型中纳入成组发育、密集分布的层面。显然，对于数量众多、间距为厘米级的层面而言，“显式”的模拟方式无论是在fem框架下还是在dem或是dda计算框架下，虽非不现实，但至少是不经济的。
[0094]
综合上述研究成果可以看到，由于层面间距尺度与工程结构特征尺寸的客观差异，且受限于计算规模和求解效率，无论是基于连续介质力学分析方法，亦或是离散介质力学分析方法，都难以做到真实地模拟层状岩体中实际存在的每一条层面。因此，就层状岩体中工程结构的力学计算而言，采用宏观等效力学模型是目前不可或缺的一种有效途径。cosserat层状模型相对于遍布节理模型而言具有明显的优势。然而，目前关于cosserat模拟层状岩体方面的研究工作均是在连续介质力学的框架下开展；囿于连续介质力学固有的局限性，无法真实的模拟层面的张开、滑移等非连续大变形特征。因此，利用三维dda方法和cosserat理论的优势，考虑以m级间距的层面切割计算模型，形成空间层状岩体的基本架构；对于层面之间厚度为m级的岩层(其中含有cm级的层面)，则采用cosserat层状介质模型进行宏观等效模拟；这样在三维非连续变形分析的框架下实现cosserat层状力学模型，建立三维连续-非连续耦合的双尺度模型，从而可以实现对空间层状岩体更为精确和高效的模拟。
[0095]
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的模拟空间层状结构岩体力学行为的方法、装置、介
质及设备，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
[0096]
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，具体的理解为：可以同时包含有a与b，可以单独存在a，也可以单独存在b，能够具备上述三种任一种情况。
[0097]
模拟空间层状结构岩体力学行为的方法
[0098]
参见附图1-附图3，本发明实施例提供的模拟空间层状结构岩体力学行为的方法包括以下步骤：
[0099]
获取待模拟空间层状结构岩体的几何模型；
[0100]
针对待模拟空间层状结构岩体的几何模型进行块体切割，使得块体在切割后形成的层面相邻两层面之间的间距为m级尺度，生成三维非连续变形分析块体，三维非连续变形分析块体的层面构成三维非连续变形分析块体的接触边界；
[0101]
针对每个三维非连续变形分析块体，进行模型化处理，得到三维非连续变形分析块体内包含的层面，使得三维非连续变形分析块体内包含的层面相邻两层面之间的间距为cm级尺度；
[0102]
针对三维非连续变形分析块体涉及的m级尺度层面、cm级尺度层面进行数学模拟，获取三维非连续变形分析块体的刚度矩阵；
[0103]
根据三维非连续变形分析块体的刚度矩阵进行求解和分析，得到与三维非连续变形分析块体相对应的力学行为参数。
[0104]
本发明提供的模拟空间层状结构岩体力学行为的方法以非连续变形分析方法为主体程序架构，充分发挥其“显式”模拟层面非连续大变形接触力学行为的优势，将部分层面以“显式”的方式纳入计算模型，这些“显式”纳入计算模型的层面切割岩体形成的厚度为m级；m间距的层面切割计算模型生成dda块体，形成空间层状结构岩体的基本架构；对于厚度为m级的dda块体，其中含有大量cm级间距的层面，则采用模型化处理层状介质模型进行宏观等效模拟；这样建立三维连续-非连续耦合的双尺度模型，可以实现对空间层状结构岩体更为精确和高效的模拟。其能够充分反映层面对于空间层状结构岩体变形和强度两个方面的影响，从而充分反映层面对工程岩体变形和稳定的控制效应；同时，又有效地避免将所有的层面纳入计算模型，兼顾了计算效率和求解精度。
[0105]
其中，针对待模拟空间层状结构岩体的几何模型进行块体切割，使得块体在切割后形成的层面相邻两层面之间的间距为m级尺度，生成三维非连续变形分析块体，三维非连续变形分析块体的层面构成三维非连续变形分析块体的接触边界的步骤过程中，切割的方法为“显式”块体切割方法。
[0106]
其中，针对每个三维非连续变形分析块体，进行模型化处理，得到三维非连续变形分析块体内包含的层面，使得三维非连续变形分析块体内包含的层面相邻两层面之间的间距为cm级尺度的步骤过程中，模型化处理采用的模型为cosserat层状模型，模型化处理的方法为采用cosserat层状模型以宏观等效的方式进行“隐式”模拟；
[0107]
其中，采用cosserat层状模型以宏观等效的方式进行“隐式”模拟的过程中，三维非连续变形分析块体内包含的层面满足的条件包括：层状岩体视为由完整岩石层和分割岩
层的层面周期性重复所形成的复合结构体；岩石层为均质和各向同性；层面平直且平行发育，并具有相同的力学特性；层面间距相等且只有一组层面；变形与曲率无限小。
[0108]
其中，为了能够在三维非连续变形分析(3d-dda)实现cosserat层状模型，需要将dda块体的变量(u1,u2,u3)
t
进行扩充以包括转动位移θ，其中，cosserat层状模型的数学模型中各参数包括：
[0109]
位移-[u θ]＝[u
1 u
2 u
3 θ
1 θ
2 θ3]，其中，u为平动自由度，θ为转动自由度，
[0110]
在整体坐标系下的应变-γ＝[γ
11 γ
22 γ
33 γ
23 γ
32 γ
13 γ
31 γ
12 γ
21
]，
[0111]
在整体坐标系下的曲率-κ＝[κ
11 κ
22 κ
33 κ
23 κ
32 κ
13 κ
31 κ
12 κ
21
]，
[0112]
应力-σ＝[σ
11 σ
22 σ
33 σ
23 σ
32 σ
13 σ
31 σ
12 σ
21
]，
[0113]
力偶-μ＝[μ
11 μ
22 μ
33 μ
23 μ
32 μ
13 μ
31 μ
12 μ
21
]，
[0114]
应变表达式-γ
ij
＝u
j,i-e
ijk
θkꢀꢀꢀ
(1a)
[0115]
曲率表达式-κ
ij
＝-θ
i,j
ꢀꢀꢀ
(1b)。
[0116]
其中，针对三维非连续变形分析块体涉及的m级尺度层面、cm级尺度层面进行数学模拟，获取三维非连续变形分析块体的刚度矩阵具体包括以下步骤：
[0117]
三维非连续变形分析块体内任一点(x,y,z)的具有3个平动位移和3个转动位移，即(u1,u2,u3,θ1,θ2,θ3)
t
，其一阶函数表达式
[0118][0119]
记三维非连续变形分析块体内任一点位移的矩阵表达式为
[0120][0121]
其中，位移转换矩阵t如下式所示
[0122][0123]
[d]为待求解的未知数系数
[0124]
[d]＝[a
11 a
21 a
31 a
41 a
51 a
61 a
12 a
22 a
32 a
42 a
52 a
62 a
13 a
23 a
33 a
43 a
53 a
63 a
14 a
24 a
34 a
44 a
54 a
64
]
t
ꢀꢀꢀ
(5)
[0125]
由(1)式得
[0126]
[0127]
其中
[0128][0129][0130][0131]
将式(4)和式(7)代入式(6)则得到b矩阵
[0132][0133]
考虑微元体力与力偶平衡，有平衡方程如下
[0134]
σ
ij,i
fi＝0
ꢀꢀꢀ
(9a)
[0135]
mk μ
kj,j
e
kij
σ
ij
＝0
ꢀꢀꢀ
(9b)
[0136]
上式中，fi,mk分别为体积力与体积力偶；μ
ij
为偶应力；
[0137]
采用cosserat层状介质模型的三维非连续变形分析块体的弹性本构方程表示为
[0138][0139]
其中
[0140]
[0141][0142][0143][0144][0145][0146][0147][0148]g22
＝g g
11
ꢀꢀꢀ
(12i)
[0149]
上式中，e-岩体弹性模量，ν-泊松比，g-岩体剪切模量，k
n-层面的法向刚度，k
s-层面的剪切刚度，h-层面间距，b-抗弯刚度；
[0150]
通过坐标变换矩阵r，得到整体坐标系下的弹性矩阵d
*
。
[0151]d*
＝r
t
dr
ꢀꢀꢀ
(13)
[0152]
r通过局部坐标轴相对于整体坐标系下x1、x2、x3的转角φ、和ψ获得
[0153][0154][0155]
[0156][0157]
得到三维非连续变形分析块体的应力表达式
[0158][0159]
根据弹性力学最小势能原理，得到三维非连续变形分析块体的刚度矩阵
[0160]
[k]＝∫vb
td*
bdv
ꢀꢀꢀ
(16)。
[0161]
其中，根据三维非连续变形分析块体的刚度矩阵进行求解和分析，得到与三维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，刚度矩阵[k]＝∫vb
td*
bdv中每一项均通过单纯形积分解析得到。其中，对于惯性矩阵和接触计算相关的矩阵，可以看到，因为位移变量中的转动位移θ不参与计算；因此，这些核心子矩阵的计算与组装流程与常规3d-dda中相同，这里不再赘述。
[0162]
其中，根据三维非连续变形分析块体的刚度矩阵进行求解和分析，得到与三维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，力学行为参数包括位移、应变、应力中的一个或者几个参数。
[0163]
其中，针对所述非连续变形分析块体涉及的m级尺度层面、cm级层面进行数学模拟，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，可以看到，因为位移变量中的转动位移θ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。
[0164]
模拟空间层状结构岩体力学行为的装置
[0165]
本发明提供的模拟空间层状结构岩体力学行为的装置包括：
[0166]
几何模型获取模块，用于获取待模拟空间层状结构岩体的几何模型；
[0167]
块体切割模块，用于针对待模拟空间层状结构岩体的几何模型进行块体切割，使得块体在切割后形成的层面相邻两层面之间的间距为m级尺度，生成三维非连续变形分析块体，三维非连续变形分析块体的层面构成三维非连续变形分析块体的接触边界；
[0168]
模型化处理模块，用于针对每个三维非连续变形分析块体，进行模型化处理，得到三维非连续变形分析块体内包含的层面，使得三维非连续变形分析块体内包含的层面相邻两层面之间的间距为cm级尺度；
[0169]
刚度矩阵获取模块，用于针对三维非连续变形分析块体涉及的m级尺度层面、cm级尺度层面进行数学模拟，获取三维非连续变形分析块体的刚度矩阵；
[0170]
求解和分析模块，用于根据三维非连续变形分析块体的刚度矩阵进行求解和分析，得到与三维非连续变形分析块体相对应的力学行为参数。
[0171]
本发明提供的模拟空间层状结构岩体力学行为的装置以非连续变形分析方法为主体程序架构，充分发挥其“显式”模拟层面非连续大变形接触力学行为的优势，将部分层面以“显式”的方式纳入计算模型，这些“显式”纳入计算模型的层面切割岩体形成的厚度为m级；m间距的层面切割计算模型生成dda块体，形成空间层状结构岩体的基本架构；对于厚度为m级的dda块体，其中含有大量cm级间距的层面，则采用模型化处理层状介质模型进行
memory，nvm)，例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。
[0180]
本领域技术人员可以理解，图5中示出的结构并不构成对模拟空间层状结构岩体力学行为的设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
[0181]
如图5所示，作为一种存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、数据存储模块、网络通信模块、用户接口模块以及模拟空间层状结构岩体力学行为的程序。
[0182]
在图5所示的模拟空间层状结构岩体力学行为的设备中，网络接口1004主要用于与网络服务器进行数据通信；用户接口1003主要用于与用户进行数据交互；本发明模拟空间层状结构岩体力学行为的设备中的处理器1001、存储器1005可以设置在模拟空间层状结构岩体力学行为的设备中，模拟空间层状结构岩体力学行为的设备通过处理器1001调用存储器1005中存储的模拟空间层状结构岩体力学行为的程序，并执行本发明实施例提供的模拟空间层状结构岩体力学行为的方法。
[0183]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0184]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。