[發明專利]一種層狀巖體FDEM數值模擬輸入參數標定方法

在審

• 申請號: 202210368751.3
• 申請日: 2022-04-08
• 公開（公告）號: CN114861401A
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 鄧鵬海;劉泉聲
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 李煒

本發明公開了一種層狀巖體FDEM數值模擬輸入參數標定方法，步驟如下：(1)開展單軸壓縮試驗，獲取水平和垂直層狀巖體彈性模量和泊松比；(2)開展直接拉伸試驗，獲取水平和垂直層狀巖樣抗拉強度；(3)開展直接剪切試驗，獲取水平和垂直層狀巖樣粘聚力和內摩擦系數；(4)進行直接拉伸FDEM數值模擬，獲取水平和垂直層狀巖體I型斷裂能；(5)進行直接剪切FDEM數值模擬，獲取水平和垂直層狀巖體II型斷裂能；(6)采用上述宏觀參數和斷裂能，開展FDEM數值模擬，獲得網格尺寸上限值；(7)開展不同傾角巖樣的單軸壓縮試驗和FDEM數值模擬，驗證被標參數的可靠性。本發明的標定方法獲得的參數能夠準確模擬層狀巖體的力學特性，且適用于工程尺度的模擬。

技術領域

本發明屬于巖石力學與巖石工程領域，具體涉及有限元-離散元耦合數值模擬程序(FDEM)層狀巖體輸入參數標定方法及被標參數的可靠性驗證方法。

背景技術

在交通隧道、水利隧洞和礦山巷道掘進中，常常遭遇層狀巖體，或稱為層狀巖體，如太古高速西山隧道、常吉高速雀兒溪隧道、渝利鐵路火風山隧道、玉瓦水電站引水隧洞、錦屏II級水電站引水隧洞和張村煤礦等。據統計，層狀巖體約占陸地總面積的66％，中國的層狀巖體則高達國土面積的77％，如已開工建設的川藏鐵路雅安至昌都段，隧道穿越地層多以變質層狀板巖為主。與各向同性均質圍巖不同，層狀圍巖易發生非對稱變形破壞，其破壞形式可表現為沿層面的剪切滑移、層間的張拉離層和垂直層面的屈曲折斷、塌落等，具體破壞形式取決于地應力(包括地應力量值和側壓系數)、圍巖物理力學特性(如層間粘聚力、內摩擦系數、抗拉強度和彈性模量)和幾何特性(如層傾角和層間距等)，也包括斷面形狀、隧道尺寸和隧道開挖方式等。

由于巖體賦存環境和巖體材料介質自身力學特性的復雜性，數值模擬成為一種較佳的研究手段，可分為連續性方法、非連續性方法和耦合方法，其中耦合方法中的FDEM方法逐漸成為巖石力學領域的主流分析方法，因為它能夠重現隧道開挖后圍巖從完整至彈塑性變形再至斷裂失效的全過程，亦能夠模擬破裂塊體間的接觸擠壓效應，且能夠重現圍巖應力場和位移場的孕育演化全過程。對于層狀巖體的模擬，通常采用隨機裂隙網絡法(DFN)和彌散方法(Smeared)，相比于隨機裂隙網絡法，彌散方法更能精準表征層狀巖體的層理特性，因而應用更為廣泛，它采用顯式網格直接表征層理面，在兩層理面之間再劃分三角形單元和四邊形節理單元，節理單元的強度參數與其和層理面的夾角線性相關。

對于FDEM中的彌散方法模擬層狀巖體力學特征，當前已建立了數值本構模型，然而對于涉及到的計算參數當前尚無合適的標定方法，使得輸入參數難以合理確定，因而在隧道開挖模擬方面還存在較大問題。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明提供一種層狀巖體FDEM數值模擬輸入參數標定方法，同時提出被標參數可靠性驗證方法。

本發明提供的技術方案如下：

一種層狀巖體FDEM數值模擬輸入參數標定方法，包括如下步驟：

(1)鉆取并加工出圓柱形水平和垂直層狀標準試件，分別開展室內巖體力學試驗，獲得水平層狀巖體的彈性模量和泊松比E、v和垂直層狀巖體的彈性模量和泊松比E’和v’；

(2)將水平層狀和垂直層狀圓柱形標準試件，采用高強度膠水將巖樣和加載板粘接，開展直接拉伸試驗，獲得水平和垂直層狀巖體抗拉強度f_t、f_t’；

(3)采用立方體試件，開展水平和垂直層狀不同法向壓力的直接剪切試驗，獲得水平層狀巖體的粘聚力c、內摩擦系數，垂直層狀巖體的粘聚力c’、內摩擦系數；