[发明专利]基于离散元的岩体力学响应数值分析方法及装置

说明书

本发明实施例提供的基于离散元的岩体力学响应数值分析方法及装置，通过三角形块体粘结集合体来模拟岩石，在其中引入离散裂隙网格来模拟岩体，在三角体之间粘结所遭受力的情况可以分析出剪切或拉伸两种破坏，克服了传统多边形单元高估岩石摩擦角、岩石破坏网格定势等缺点，可以显式模拟岩体破坏过程裂纹的起裂、扩展、贯通的全过程及其与原生结构面的相互作用，对裂纹的大小、方向进行追踪监测和定量评估，准确捕捉岩体在不同应力环境中不同的破坏类型，在岩石力学基础试验、地下空间开挖诱导围岩破坏机理、动压回采巷道围岩不连续扩容变形、深井巷道大变形、锚杆应力场及支护作用机理、岩爆及冲击地压发生机理、长臂工作面上覆岩层垮落等方面具有广泛、深入应用。

技术领域

本发明涉及岩体工程与采矿工程计算机辅助设计技术领域，尤其涉及一种基于离散元的岩体力学响应数值分析方法及装置。

背景技术

岩体工程和采矿工程所面临的最主要问题是对岩体在不同应力环境中的响应进行准确的评估。岩体有岩石和不连续结构面(如层理、节理、断层等)组成，作为一种复杂的材料，岩体通常表现为非弹性、非连续、非均质及各项异性的特点。当前工程中对岩体力学响应评估的主要方法是采用基于经验的岩体分类系统，如RMR、Q、GSI等，这些方法帮助人们解决了很多工程实际问题。然而，使用上述方法的一个基本前提条件是假设岩体是连续体且各项同性，很多工程岩体并不满足这个前提条件。

过去20年中，随着计算机软、硬件的飞速发展，数值模拟方法已经被广泛地应用于评估复杂岩体的力学响应、研究岩体变形和破坏机理。常用的数值模拟方法主要边界元、有限元、有限差分和离散元等。其中边界元、有限元和有限差分方法主要适用于假设岩体是连续体的情况，不能很好地考虑岩体的非连续性及不连续结构面对岩体力学性质起控制性作用的影响。离散元方法具有将岩体视为不连续体的天然属性，可以显式地考虑不连续结构面，模拟其张开、滑移、断裂等岩体典型的非连续性变形破坏特征。

目前使用最普遍的离散元软件要数美国ITASCA公司的UDEC，其Voronoi建模模块可以将岩体看做被不连续结构面切割的多边形块体的集合体，这种方法不仅可以模拟岩体内的原生结构面的张开与滑移，还可以模拟结构面中间岩石的裂纹扩展与破坏。然而，现有的研究表明，这种将岩石看作多边形块体集合体的方法存在高估岩体内摩擦角的缺点，而且岩石的破坏路径易于被多边形块体的集合方式所控制。

发明内容

本发明提供一种基于离散元的岩体力学响应数值分析方法及装置，用于解决现有技术中存在高估岩体内摩擦角的缺点，而且岩石的破坏路径易于被多边形块体的集合方式所控制的问题。

第一方面，本发明提供一种基于离散元的岩体力学响应数值分析方法，包括：

获取多边形单元网格化的岩石模型，将所述岩体模型中每个多边形单元切割为多个三角形单元，形成三角形单元网格化的岩石模型；

根据岩体不连续结构面的几何产状信息生成离散裂隙网格，根据所述离散裂隙网格对三角形单元网格化的岩石模型进行模拟，形成具有不连续结构面的岩体模型；

对所述岩体模型中的三角形块体之间的线接触粘结进行力学参数赋值，所述力学参数包括刚度参数和强度参数；

获取对三角形块体之间进行剪切和拉伸的模拟值，并根据所述模拟值、所述力学参数和预设的分析公式获得三角形块体之间的线接触粘结的拉应力和剪应力；

根据所述拉应力、剪应力和强度参数进行比较，获得比较结果，并根据比较结果判断三角形块体之间的线接触粘结的破坏状态。

第二方面，本发明实施例提供一种基于离散元的岩体力学响应数值分析装置，包括：

划分模块，用于获取多边形单元网格化的岩石模型，将所述岩石模型中每个多边形单元切割为多个三角形单元，形成三角形单元网格化的岩石模型；