一种层状岩石三维块体离散元模型微观参数确定的方法

摘要

本发明提供了一种层状岩石三维块体离散元模型微观参数确定的方法，包括以下步骤：基于室内三轴试验获取不同倾角的层状岩石的宏观力学参数，以及构建层状岩石离散元数值模型；获得节理微观参数与层状岩石杨氏模量、峰值强度等力学指标的关系模型；基于层状岩石室内三轴试验宏观参数以及上述关系模型进行层状岩石节理微观参数的标定，获得层间岩石内部虚拟节理的微观参数和层理面节理的微观参数；将层间岩石内部虚拟节理的微观参数和层理面节理的微观参数输入至层状岩石离散元数值模型内进行三轴压缩数值模拟，以获得层状岩石离散元数值模型的应力应变曲线和破坏形态；验证该层状岩石三维块体离散元模型微观参数确定的方法的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及层状岩石各向异性研究领域，特别是涉及一种层状岩石三维块体离散元模型微观参数确定的方法。

背景技术

现有技术中，岩石数值模拟的方法主要采用的是连续介质法和非连续介质法(即离散单元法)，其中，连续介质法中的有限元法和有限差分法在岩石工程中有着广泛的应用；然由于有限元法和有限差分法是基于连续介质力学理论的方法，往往会因岩体结构面建模极其复杂而很难模拟岩石破裂过程；因此，目前通常采用的是非连续介质法模拟岩石分离、破坏和滑动。现有应用离散单元法较为成熟的软件有：UDEC(Universal DistinctElement Code，通用离散单元法程序)、3DEC(3Dimension Distinct Element Code，三维离散单元法程序)、PFC2D(Particle Flow Code 2D，颗粒流程序2D)和PFC3D(Particle FlowCode 3D，颗粒流程序3D)，其中，离散元颗粒流PFC软件存在因离散程度过高而导致仅局限于岩石破碎和散体模拟等方面的应用。

微观参数选定构建了数值模型宏观力学特性，选择恰当的微观参数不仅是决定数值模拟有效性的关键，而且也是预测岩石力学行为的关键。目前，岩石的微观参数校准方法主要有试错法和正交法，其主要适用于简单岩石，因为其内部仅存在一种节理(即基质内的微小节理)，采用现有的校准方法是可行的。但由于层状岩石内部含有层理面节理和基质内的微小节理，在校准过程中需要同时校准两种不同节理参数，通过现有的微观参数校准方法，其过程将过于复杂。另一方面，岩石微观参数与实验室测定宏观参数的变化关系也没有系统的、深入的研究，也是制约层状岩石微观参数校准便捷性的一大因素。因此，需要一种更加便捷、更加准确且能够适合于层状岩石微观参数校准的方法。

发明内容

本发明提供了一种层状岩石三维块体离散元模型微观参数确定的方法，包括以下步骤：

步骤一、通过室内三轴压缩试验获取不同倾角的层状岩石的宏观力学参数，所述宏观力学参数包括层状岩石的应力应变参数和破坏形态参数；以及构建内部含有层理面节理和层间岩石内部虚拟节理(虚拟节理即层间岩石内部块体之间接触)的层状岩石离散元数值模型；

步骤二、提出适用于层状岩石节理微观参数校准的方法，并获得节理微观参数和层状岩石杨氏模量、峰值强度的关系模型；

步骤三、基于室内三轴试验获得的层状岩石宏观力学参数以及步骤二中节理微观参数和层状岩石杨氏模量、峰值强度的关系模型进行层状岩石节理微观参数的标定，获得层间岩石内部虚拟节理的微观参数和层理面节理的微观参数；

步骤四、将层间岩石内部虚拟节理的微观参数和层理面节理的微观参数输入至层状岩石离散元数值模型内进行三轴压缩数值模拟，以获得层状岩石离散元数值模型的应力应变曲线数值和破坏形态数值；

步骤五、对比分析层状岩石离散元数值模型的应力应变曲线与步骤一中获得的层状岩石的应力应变参数、以及层状岩石离散元数值模型的破坏形态与步骤一中获得的层状岩石的破坏形态参数，验证该层状岩石三维块体离散元模型微观参数确定的方法的可靠性。

可选的，所述步骤一中，所述层状岩石的宏观力学参数通过对层状岩石进行室内三轴试验获得，其获得的具体过程如下：

S1.11、选用围压为20MPa以的室内三轴试验装置对层状岩石进行三轴压缩试验；

S1.12、将层状岩石试样用橡胶套包裹并置于室内三轴试验装置中的三轴压力室内；

S1.13、安装室内三轴试验装置的轴向和周向应变仪；

S1.14、调整室内三轴试验装置的压力机头端部位置，确保压头与层状岩石试样接触良好；

S1.15、以2MPa/min荷载加载的方式对层状岩石样本施加围压，待围压稳定后以0.02mm/min位移加载进行轴向压缩；

S1.6、试验加载层状岩石试样达到残余强度或者失去承载能力时，试验结束；以获得层状岩石的宏观参数。

可选的，所述步骤一中，构建层状岩石离散元数值模型的具体过程如下：

S1.21、基于BBM模型构建层状岩石的层状圆柱体模型；

S1.22、将层状圆柱体模型切割生成若干四面体颗粒，再将若干四面体颗粒分别嵌入至3DEC软件内，并基于离散元法建立层状岩石的三维离散元模型；

S1.23、通过3DEC软件确定三维离散元模型中的层理面节理和层间岩石内部虚拟节理。

可选的，所述步骤二中，获得影响关系模型具体过程如下：

S2.1、基于层状岩石不同倾角下特殊的破坏模式，将层间岩石内部虚拟节理参数标定选用层理倾角β＝0°、层理面节理标定选用倾角β＝60°；并采用控制变量法，探究节理微观参数对层状岩石杨氏模量、峰值强度的影响，以此建立微观参数校准程序；

S2.2、进一步探究层理面节理和层间岩石内部虚拟节理的法向刚度、切向刚度、粘聚力和摩擦角对离散元模型的宏观杨氏模量与峰值强度的影响，并将探究的结果进行拟合，获得节理微观参数对层状岩石的杨氏模量和峰值强度的影响关系模型。

可选的，所述杨氏模量的表达式为：

式中：E

可选的，所述峰值强度的表达式为：

式中：σ

可选的，所述步骤三中，获得层间岩石内部虚拟节理和层理面节理微观参数的过程具体如下：

S3.1、基于步骤一得到的层状岩石的宏观参数以及步骤二所得到的层状岩石的节理微观参数与宏观力学指标的关系模型，由宏观杨氏模量标定节理切向刚度和法向刚度；

S3.2、在确定节理切向刚度和法向刚度的此基础上由宏观峰值强度标定节理摩擦角和粘聚力数值，最终反算获得层状岩石的微观参数。

可选的，所述步骤四中，获得层状岩石离散元数值模型的应力应变曲线和破坏形态的具体过程如下：

S4.1、赋予层状岩石离散元数值模型材料本构关系和微观参数，并将层状岩石内部的微小块体采用弹性模型表达、将层间岩石内部虚拟节理采用库伦节理模型表达以及将层状岩石的层理面节理均采用库伦节理模型表达；

S4.2、以步骤一中获得层状岩石宏观参数的试验过程为基础，模拟过程中固定层状岩石离散元数值模型的顶部和底部，采用围压以5MPa/s的方式施加，待围压施加完毕后；保持层状岩石离散元数值模型的底部固定，层状岩石样本以0.10m/s的恒定速度垂直加载，并监测层状岩石离散元数值模型的顶部和端部的应力应变数值，最终获得层状岩石离散元数值模型的应力应变曲线和破坏形态。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)通过采用本发明中的步骤所构建的三维离散元的层状岩石模型，区别于现有技术中的二维离散元模型，使其在模拟过程中的加载方式与室内试验一致，从而能够将准确模拟出三维下层状岩石的破坏形态，进而更加准确反映出层状岩石力学特性。

(2)由于现有微观参数方法并不适用于层状岩石，因此，通过本申请步骤二中，基于层状岩石不同倾角下的破坏特征，提出了适合于层状岩石微观参数校准方法——在不同倾角下校准层间岩石内部虚拟节理和层理面节理微观参数，大大简化了微观参数的校准过程，可有效解决层状岩石微观计算参数缺失和微观参数校准困难的问题。

(3)通过本申请步骤二中所提出的节理微观参数对层状岩石宏观特性的影响模型，实现了层状岩石宏观参数和节理微观参数的定量表征，这将为其他岩石微观参数校准提供简化思路，并对宏观层状岩层隧道围岩节理参数的确定具有指导意义。

(4)本发明通过基于离散元块体流3DEC软件将层状圆柱体模型切割生成若干四面体颗粒，再将若干四面体颗粒分别嵌入至3DEC软件内，以此基于离散元法建立层状岩石的三维离散元模型；再通过3DEC软件中确定三维离散元模型中的层理面节理和层间岩石内部虚拟节理；以能够很好克服离散程度过高的问题，从而使其具有解决岩石结构控制问题和参数校准方面的独特优势。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例中一种层状岩石三维块体离散元模型微观参数确定的方法流程示意图；

图2是层状岩石离散元数值模型示意图；

图3(a)是层间岩石内部虚拟节理和层理面节理微观参数和层状岩石离散元数值模型的杨氏模量中刚度比k

图3(b)是层间岩石内部虚拟节理和层理面节理微观参数和层状岩石离散元数值模型的杨氏模量中刚度比k

图3(c)是层间岩石内部虚拟节理和层理面节理微观参数和层状岩石离散元数值模型的杨氏模量中摩擦角的关系曲线示意图；

图3(d)是层间岩石内部虚拟节理和层理面节理微观参数和层状岩石离散元数值模型的杨氏模量中粘聚力的关系曲线示意图；

图4(a)是层间岩石内部虚拟节理和层理面节理微观参数与层状岩石离散元数值模型的峰值强度中刚度比k

图4(b)是层间岩石内部虚拟节理和层理面节理微观参数与层状岩石离散元数值模型的峰值强度中刚度比k

图4(c)是层间岩石内部虚拟节理和层理面节理微观参数与层状岩石离散元数值模型的峰值强度中摩擦角的关系曲线示意图；

图4(d)是层间岩石内部虚拟节理和层理面节理微观参数与层状岩石离散元数值模型的峰值强度中粘聚力的关系曲线示意图；

图5是层状岩石室内三轴试验和数值模拟试验的应力应变曲线对比示意图；

图6(a)是层状岩石室内三轴试验和数值模拟试验位于0°时的破坏形态对比示意图；

图6(b)是层状岩石室内三轴试验和数值模拟试验位于45°时的破坏形态对比示意图；

图6(c)是层状岩石室内三轴试验和数值模拟试验位于75°时的破坏形态对比示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点等能够更加明确易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精确比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施；本发明中所提及的若干，并非限于附图实例中具体数量；本发明中所提及的‘前’‘中’‘后’‘左’‘右’‘上’‘下’‘顶部’‘底部’‘中部’等指示的方位或位置关系，均基于本发明附图所示的方位或位置关系，而不指示或暗示所指的装置或零部件必须具有特定的方位，亦不能理解为对本发明的限制。

本实施例:

参见图1所示，一种层状岩石三维块体离散元模型微观参数确定的方法，包括以下步骤：

步骤一、采用MTS 815型刚性试验机对层状岩石进行室内三轴试验，以获取不同倾角的层状岩石的应力应变参数、破坏形态参数等宏观参数；以及通过3DEC软件构建内部含有层理面节理和层间岩石内部虚拟节理(虚拟节理即层间岩石内部块体之间接触)的层状岩石离散元数值模型；

步骤二、通过简化现有层状岩石微观参数的标定方法(试错法和正交法)，提出适用于层状岩石节理微观参数校准的方法，并获得节理微观参数以及层状岩石杨氏模量和峰值强度的关系模型；

步骤三、基于室内获得的层状岩石宏观参数(即宏观力学参数)以及步骤二中理微观参数和层状岩石杨氏模量、峰值强度的关系模型进行层状岩石微观参数的标定，并获得层间岩石内部虚拟节理的微观参数和层理面节理的微观参数；

步骤四、将层间岩石内部虚拟节理的微观参数和层理面节理的微观参数输入层状岩石离散元数值模型内进行三轴压缩数值模拟，获得层状岩石离散元数值模型的应力应变曲线数值和破坏形态数值；

步骤五、对比分析层状岩石离散元数值模型的应力应变曲线与步骤一中获得的层状岩石的应力应变参数、以及层状岩石离散元数值模型的破坏形态与步骤一中获得的层状岩石的破坏形态参数(对比结果如图5和图6所示，并根据图5和图6所示可见两者均具有较好的拟合性)，验证该层状岩石三维块体离散元模型微观参数确定的方法的可靠性。

具体的，所述步骤一中，所述层状岩石的宏观参数通过对层状岩石进行室内三轴试验获得，其获得的具体过程如下：

S1.11、选用围压为20MPa以的室内三轴试验装置对层状岩石进行三轴压缩试验；

S1.12、将层状岩石试样用橡胶套包裹并置于室内三轴试验装置中的三轴压力室内；

S1.13、安装室内三轴试验装置的轴向和周向应变仪；

S1.14、调整室内三轴试验装置的压力机头端部位置，确保压头与层状岩石试样接触良好；

S1.15、以2MPa/min荷载加载的方式对层状岩石样本施加围压，待围压稳定后以0.02mm/min位移加载进行轴向压缩；

S1.6、试验加载层状岩石试样达到残余强度或者失去承载能力时，试验结束；以获得层状岩石的宏观参数。

具体的，参见图2所示，所述步骤一中，构建层状岩石离散元数值模型的具体过程如下：

S1.21、基于BBM模型(Bonded Block Model模型，块体粘结模型)构建层状岩石的层状圆柱体模型；

S1.22、利用3DEC软件中内置的‘polyhedra’命令流将层状圆柱体模型切割生成若干四面体颗粒，再将若干四面体颗粒分别嵌入至3DEC软件内，以此建立层状岩石的三维离散元模型；

S1.23、通过3DEC软件中内置的‘范围(range)’命令流确定三维离散元模型中的层理面节理和层间岩石内部虚拟节理，并建立尺寸为直径50mm、高100mm离散元圆柱体模型。

具体的，由于层状岩石离散元模型需考虑层间岩石内部虚拟节理微观参数、层理面节理微观参数和层理面倾角，因此，若仅使用试错法，则参数标定过程太过耗时。具体的：当层理面倾角β＝0°时，层间岩石内部虚拟节理微观参数是影响岩石强度特性的主要因素；而当层理倾角β＝60°时，则是层理面节理微观参数起决定性作用。基于此，所述步骤二中，获得影响关系模型具体过程如下：

S2.1、为简化微观参数校准过程，将层间岩石内部虚拟节理微观参数标定选用层理面倾角β＝0°、层理面节理标定选用倾角β＝60°；并采用控制变量法，探究节理微观参数对层状岩石杨氏模量、峰值强度等力学指标的影响，以此建立微观参数校准程序。此处优选：由于层间节理面属于岩石内部的软弱面，因此，在参数标定过程中层间节理的微观参数选定应小于层状岩石内部虚拟节理的微观参数。

S2.2、进一步探究层间岩石内部虚拟节理和层理面节理的法向刚度、切向刚度、粘聚力和摩擦角对层状岩石离散元模型的宏观杨氏模量、峰值强度的影响，并将探究的结果进行拟合(拟合的结果参见图3和图4)，获得内部虚拟节理和层理面节理微观参数对层状岩石的杨氏模量和峰值强度的影响关系模型；其中：

杨氏模量的表达式为：

式中：E

峰值强度的表达式为：

式中：σ

经上述探究可知，层状岩石离散元数值模型的杨氏模量由岩石的节理刚度控制，不受节理摩擦角和粘聚力的影响；峰值强度随节理摩擦角正切值和粘聚力的增大而线性增大，随节理刚度比呈二次线性关系。可见，上述微观参数校准关系模型适用于单一类节理微观参数校准，并不能进行同时校准岩石内部虚拟节理和层理面节理。

具体的，所述步骤三中，获得层间岩石内部虚拟节理和层理面节理微观参数的过程具体如下：

S3.1、基于步骤一得到的层状岩石的宏观力学参数以及步骤二所得到的层状岩石的微观参数的关系模型，由宏观杨氏模量确定节理切向刚度和法向刚度；

S3.2、在确定节理切向刚度和法向刚度的此基础上由宏观峰值强度标定节理摩擦角和粘聚力，最终反算获得层状岩石的微观参数如表1所示。

表1：层状岩石数值模型的微观参数

具体的，所述步骤四中，获得层状岩石离散元数值模型的应力应变曲线和破坏形态的具体过程如下：

S4.1、赋予层状岩石离散元数值模型材料本构关系和微观参数，并将层状岩石内部的微小块体采用弹性模型表达、将层间岩石内部虚拟节理采用库伦节理模型表达以及将层状岩石的层理面节理均采用库伦节理模型表达；

S4.2、以步骤一中获得层状岩石宏观参数的试验过程为基础，模拟过程中固定层状岩石离散元数值模型的顶部和底部，采用围压以5MPa/s的方式施加，待围压施加完毕后；保持层状岩石离散元数值模型的底部固定，层状岩石样本以0.10m/s的恒定速度垂直加载，并监测层状岩石离散元数值模型的顶部和端部的应力应变数值，最终获得层状岩石离散元数值模型的应力应变曲线和破坏形态。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。