[发明专利]一种模拟互层岩体数值模型的仿真方法、系统及处理终端

说明书

本发明属于互层岩体仿真技术领域，公开了一种模拟互层岩体流固耦合数值模型的仿真方法、系统及处理终端，设置生成的空间范围内实体的力学参数，墙体的生成；生成球体，并设置密度；迭代计算使颗粒达到平衡。导入可以生成不同岩层倾角、层厚比、层厚的CAD图。对颗粒进行分组，使CAD的不同图层中充满颗粒。删除左右两侧墙体。对不同组的颗粒赋予不同的平行粘结参数，模拟不同层的岩体属性，通过与OpenFoamt进行数据交换运算，达到流固耦合的目的。本发明互层岩体的定义及仿真方法在软件中即可实现。本发明采用颗粒流数值模拟从细观角度分析了在岩体倾角、层厚比、层厚等因子作用下互层岩体力学特性响应规律与细观破坏特征。

技术领域

本发明属于互层岩体仿真技术领域，尤其涉及一种模拟互层岩体数值模型的 仿真方法、系统及处理终端。

背景技术

目前：软硬互层状岩体较多存在于隧道、地下洞室等领域，容易造成隧道塌 方、隧道掘进效率低等工程问题。相较于均质岩体软硬互层岩体破坏特征差异显 著，破坏过程较为复杂，更难预测其破坏先兆信息。岩层倾角，岩层层厚，软弱 层含量三类几何特征因子对互层岩体的破幻有较大影响。目前各类研究通过离散 元手段对影响因素作用下互层岩体力学参数变化规律及其细观层面展开深入分 析的研究较少，对多因素共同作用下互层岩体的细观破坏机制进行综合研究的成 果更少，造成现有结果对互层岩体的破坏机制认识不足以服务于实际工程，严重 制约了地下工程的发展。

随着我国轨道交通的发展，隧道穿越区域内大量的泥岩、砂岩组成的软硬互 层岩体分布较广，因其力学性质复杂，容易造成地表沉降、隧道塌方等工程稳定 性问题，然而目前关于软硬互层岩体力学特性及破坏机制不够全面、深入。现有 技术对于互层岩体力学特性的研究主要包括室内(物理)试验、数值模拟，室内 试验。室内试验制作试验过程比较复杂，耗时长，代价高，且在定义不同层厚比、 层厚、岩层倾角时会出现较大误差，在试样的养护过程中，养护条件、养护过程 等会出现较大误差，温度，水分等的因素不好控制，在实验时，人为误差，试验 仪器误差等都是较为复杂的影响试验结果的因素。数值模拟主要包括有限元、有 限差分法等，这些方法在模拟过程中，有限元模拟差值是基于网格的，需要人为做好单元，消耗时间，需要考虑尺寸的敏感性，而离散元是通过单元体间的力学 行为叠加生成宏观响应，不需要对模型预设复杂的本构关系。不需要考虑试验过 程中的试样养护问题、人为误差较小，试验简单方便。能够较为准确的模拟岩石 在加载过程中的局部各向异性行为，较好的模拟裂隙时空演化过程和最终断裂。 对数值模拟有制作试样误差小(如岩层倾角、层厚比、层厚)过程较为简单，主 要是通过代码实现，岩体都是通过代码中的本构关系实现的 通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有技术不能准确获取互层岩体的相关参数。

(2)工程中互层岩体的几何特征因子(指层厚、层厚比、岩层倾角)往往 较复杂，没有有效的方法获取其力学特性。

(3)目前对于互层岩体力学特性的研究主要包括室内(物理)试验、数值 模拟，室内试验，室内试验制作试验过程比较复杂，耗时长，代价高，且在定义 不同层厚比、层厚、岩层倾角时会出现较大误差，在试样的养护过程中，养护条 件养护过程等会出现较大误差，在温度，水分等的因素不好控制，在实验时，人 为误差，试验仪器误差等都是较为复杂的影响试验结果的因素。

(4)数值模拟主要包括有限元、有限差分法等，这些方法在模拟过程中， 有限元模拟差值是基于网格的，需要人为做好单元，消耗时间，需要考虑尺寸的 敏感性。

解决以上问题及缺陷的难度为：

离散元是通过单元体间的力学行为叠加生成宏观响应，不需要对模型预设复 杂的本构关系。不需要考虑试验过程中的试样养护问题、人为误差较小，试验简 单方便。能够较为准确的模拟岩石在加载过程中的局部各向异性行为，较好的模 拟裂隙时空演化过程和最终断裂。对数值模拟有制作试样误差小(如岩层倾角、 层厚比、层厚)过程较为简单，主要是通过代码实现，岩体都是通过代码中的本 构关系实现的。