[发明专利]隧道岩体破坏突涌水灾变模拟的近场动力学方法及系统

说明书

本发明公开了一种隧道岩体破坏突涌水灾变模拟的近场动力学方法及系统，解决了现有方法难以描述岩体在开挖卸荷作用下的渐进破坏特征、无法揭示突涌水通道演化机制的问题，能够有效描述岩体破坏突涌水通道的形成过程与围岩损伤破坏机制。其技术方案为：将计算模型离散为物质点，在计算模型边界外侧设置虚拟边界层作为边界条件施加的对象；选择物质点邻域大小，形成物质点的邻域矩阵；将地应力等效为计算模型的应力边界条件，将溶洞水压力等效为法向压力，将位移约束和隧道支护转化为位移边界条件；求解物质点的速度和位移，并判断所有物质点的键是否满足破坏条件，记录局部损伤情况；待初始平衡计算稳定后，利用物质点休眠方法模拟隧道施工过程。

技术领域

本发明涉及隧道与地下工程领域，尤其涉及一种隧道岩体破坏突涌水灾变模拟的近场动力学方法及系统。

背景技术

随着我国交通基础设施建设的快速发展与交通强国战略的逐步实施，越来越多的隧道修建在高山峡谷地区，穿越岩溶等地下水丰富地区。隧道修建过程中，受岩溶等不良地质构造及地下水的影响，极易发生岩体破坏突涌水灾害，给工程安全建设带来严峻挑战。数值模拟作为岩土工程研究的重要手段之一，可以用来模拟突涌水灾害的演化过程，揭示其灾变演化机理。但是基于连续介质力学理论框架的传统方法，如有限单元法等难以模拟材料断裂等不连续问题，而离散单元法等不连续方法在求解工程尺度问题时面临计算效率的瓶颈。

近场动力学(Peridynamics)是一种基于非局部作用思想的多尺度数值计算方法，它通过求解空间积分方程描述物质力学行为，突破了传统连续介质力学方法在求解不连续问题时的局限性，避免了裂隙尖端微分方程求解的奇异性，在裂隙扩展、材料破坏等连续-不连续力学仿真方面具有独特的优势。近场动力学作为一种新兴的数值计算方法，在固体力学领域取得了广泛的应用，但是，目前针对隧道等地下工程大规模工程计算研究较少，特别是针对隧道施工过程中发生的突涌水等大变形、不连续地质灾害。发明人发现，现有方法难以描述岩体在开挖卸荷作用下的渐进破坏特征，无法揭示突涌水通道演化机制。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种隧道岩体破坏突涌水灾变模拟的近场动力学方法及系统，通过将计算模型离散为空间中一系列带有材料物理力学信息的物质点，将地下水对岩体的作用力等效为物质点上的边界力，基于非局部作用思想建立积分形式的基本运动方程，并结合描述隧道开挖卸荷作用的物质点休眠法，能够有效描述隧道施工过程中岩体破坏突涌水通道的形成过程与围岩损伤破坏机制。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的实施例提供了一种隧道岩体破坏突涌水灾变模拟的近场动力学方法，将计算模型离散为空间中一系列带有材料物理力学信息的物质点，并在计算模型边界外侧设置一定厚度的虚拟边界层，作为边界条件施加的对象，弱化边界效应对计算结果的影响；

选择合适的物质点邻域大小，形成物质点的邻域矩阵；将计算模型所受地应力等效为计算模型的应力边界条件，将溶洞水压力等效为计算模型的法向压力，将位移约束和隧道支护转化为位移边界条件；采用自适应动态松弛算法，迭代求解物质点的速度和位移，并判断所有物质点的键是否满足破坏条件，记录局部损伤情况；

在迭代求解过程中，通过在基本控制方程中添加短程排斥力项，真实模拟岩体压缩破坏过程；待初始平衡计算稳定后，利用物质点休眠方法通过分步开挖-滞后支护方式模拟隧道施工过程，实现隧道施工过程岩体破坏突涌水通道形成过程的模拟。

本发明的实施例还提供了一种隧道岩体破坏突涌水灾变模拟系统，包括：

模型离散模块，用于将计算模型离散为空间中的物质点，并在计算模型边界外侧设置虚拟边界层作为边界条件施加的对象；选择物质点邻域大小，形成物质点的邻域矩阵；

参数等效模型，用于将计算模型所受地应力等效为计算模型的应力边界条件，将溶洞水压力等效为计算模型的法向压力，将位移约束和隧道支护转化为位移边界条件；