[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

摘要

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。

主权项

1.一种基于离散元的岩体力学响应数值分析方法，其特征在于，包括：

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；

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。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述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，包括：

获取岩体不连续结构面的几何产状信息；

根据所述几何产状信息建立三维离散裂隙网格模型，在三维模型里，不连续结构面为面单元；

对模型进行切面操作，不连续结构面在切面上为线单元；

获取每个线单元的端头结点坐标信息，根据端头结点坐标信息生成离散裂隙网格。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：对所述力学参数的校准，包括：

获取输入的三角形块体单元的弹性模量、泊松比、法向刚度和切向刚度，对岩石模型进行单轴压缩，获得新的弹性模量和泊松比；

将获得的弹性模量和泊松比与预设的弹性模量和泊松比的实验值进行比较，获得差值；

若差值在第一阈值范围内，则获取输入的三角形块体单元的抗拉强度，对岩石模型进行巴西劈裂数值模拟，获得新的抗拉强度；

将获得的抗拉强度与预设的抗拉强度的实验值进行比较，获得差值；

若差值在第二阈值范围内，则获取输入的三角形块体单元的粘结力和摩擦角，对岩石模型进行三轴压缩，获得新的粘结力和摩擦角；

将获得的粘结力和摩擦角与预设的粘结力和摩擦角的实验值进行比较，获得差值；

若差值在第三阈值范围内，则将获得的弹性模量、泊松比、抗拉强度、粘结力和摩擦角作为力学参数，并获得法向刚度和切向刚度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述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，包括：

获取对三角形块体之间进行剪切和拉伸的模拟值；

根据模拟值、所述力学参数和预设的分析公式获得多个模拟时间段的力增量或位移增量，所述力增量为拉应力增量或剪应力增量，所述位移增量为法向位移增量和切向位移增量；

将所有时间段的力增量求和获得拉应力或剪切力；

其中，分析公式包括：

Δσ_n＝‑k_nΔu_n；

τ_max＝c+σ_ntanφ；

Δσ_n为拉应力增量，Δu_n为法向位移增量，k_n为法向刚度，Δτ_s为剪应力增量，为切向位移增量，c为粘结力，φ为摩擦角。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述拉应力、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，包括：

当拉应力大于抗拉强度T时，线接触粘结发生拉伸破坏；

当剪应力超过线接触粘结的剪切强度τ_max时，线接触粘结发生剪切破坏。

6.一种基于离散元的岩体力学响应数值分析装置，其特征在于，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；

模拟模块，用于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；

接收模块，用于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；

计算模块，用于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；

判断模块，用于根据所述拉应力、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。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述模拟模块具体用于：

获取岩体不连续结构面的几何产状信息；

根据所述几何产状信息建立三维离散裂隙网格模型，在三维模型里，不连续结构面为面单元；

对模型进行切面操作，不连续结构面在切面上为线单元；

获取每个线单元的端头结点坐标信息，根据端头结点坐标信息生成离散裂隙网格。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括校准模块，用于：

获取输入的三角形块体单元的弹性模量、泊松比、法向刚度和切向刚度，对岩石模型进行单轴压缩，获得新的弹性模量和泊松比；

将获得的弹性模量和泊松比与预设的弹性模量和泊松比的实验值进行比较，获得差值；

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