[发明专利]隧道围岩破裂碎胀大变形失稳灾变过程数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种隧道围岩破裂碎胀大变形失稳灾变过程2D‑FDEM数值模拟方法，模拟步骤包括建模及赋参、地应力施加、地应力平衡和核心材料软化卸荷。针对上述模拟步骤，本发明提出了：①一种节点力反向施加技术和坐标转换方法，使得任意倾角的地应力能够施加于具有任意形状边界的模型上；②一种新型迟滞阻尼模型及相应的临界阻尼系数取值方法，使得地应力加载阶段的动能能够被快速耗散掉；③一种核心材料逐步软化法以模拟隧道准静态开挖卸荷过程并能够反映掌子面径向支撑效应逐渐消失的过程。本发明提供的方法实现了隧道围岩破裂碎胀大变形失稳灾变全过程的模拟，能够捕获围岩裂隙场、应力场和位移场的孕育演化全过程。

技术领域

本发明属于岩石力学与岩石工程领域，具体涉及隧道围岩破裂碎胀大变形失稳灾变过程的有限元-离散元耦合数值模拟方法(the combined Finite-Discrete ElementMethod,FDEM)。

背景技术

在深埋地层中开掘隧道后将造成围岩的切向应力升高而径向应力降低，即隧道开挖从力学角度而言是一个围岩切向加载而径向卸载的过程。当升高的切向应力超过岩体强度且隧道表面无支护结构时，围岩便不可避免发生破裂，隧道表面围岩的破裂使其承载失效造成集中切应力向深部转移进而使得破裂不断向围岩深处扩展，直至在深处达到极限平衡状态。隧道围岩的变形全过程包括弹塑性连续变形、围岩裂纹的萌生-扩展-贯通非连续变形和破碎块体间的剪切滑移及块体翻转大运动。岩体弹性恢复和块体间错位不咬合造成的空隙将使围岩发生体积膨胀现象，上述过程称为围岩破裂碎胀大变形失稳灾变全过程。

由于岩体材料介质的复杂性、赋存环境的复杂性和和围岩破裂碎胀大变形失稳灾变全过程的复杂性，理论解析显得无能为力。此外，室内模型试验和现场测试存在研究成本高昂、研究周期漫长、研究成果只对特定工程有效等不足，更重要的是，模型试验和现场测试难以获取岩石破裂碎胀大变形全过程，包括围岩裂隙场、应力场和位移场孕育演化全过程。因此，数值模拟成为最佳研究手段，包括连续性方法(如有限元法FEM、有限差分法FDM、边界元法BEM和无网格法MM等)、非连续性方法(如颗粒元法PFC、通用离散单元法UDEC和不连续变形法DDA等)和耦合方法(如数值流形法NMM和有限元-离散元耦合方法FDEM等)。

其中，FDEM方法将材料划分为三角形单元，在两三角形单元边界插入初始无厚度的四边形节理单元，三角形单元只发生弹性连续变形，材料的塑性及断裂失效通过四边形节理单元来体现，当节理单元断裂失效后，其两侧的三角形单元由完整材料的粘结关系转化为块体间的接触关系。因此，FDEM能够模拟岩体从弹塑性连续变形至断裂失效非连续变形再至破碎块体间的接触挤压效应，能够反映真实的含有粗糙度和开度等几何特征的岩石裂纹，且计算效率高、参数标定较为便捷，能够适用于真实案例，如隧道开挖和边坡滑移的模拟。然而，现有的2D-FDEM隧道开挖模拟存在如下不足之处：①采用施加边界荷载的方法施加地应力只能加载水平与垂直地应力，难以适用于倾斜地应力的施加，且对任意形状的模型边界无能为力；②模型边界加载后将产生动能，只有在动能耗散完毕后才能进行隧道开挖的模拟，然而现有技术对动能的耗散效率是极低的；③核心材料的卸荷速率、卸荷曲线和临界动能具有任意性，难以确保准静态开挖卸荷过程。

因此，为解决上述存在的不足，本发明提出了隧道开挖围岩破裂碎胀大变形失稳灾变过程二维FDEM模拟方法，包括地应力施加技术、动能快速耗散技术及准静态开挖卸荷模拟技术。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提出一种隧道围岩破裂碎胀大变形失稳灾变过程二维有限元-离散元耦合数值模拟(FDEM)方法，该方法能够对具有任意形状的模型边界施加任意倾角的地应力，动能耗散效率极高且能够实现准静态开挖卸荷过程，进而实现隧道围岩破裂碎胀大变形失稳灾变过程的分析模拟预测。

本发明所采用的技术方案如下：

隧道围岩破裂碎胀大变形失稳灾变过程2D-FDEM数值模拟方法，包括如下步骤：