基于数值模拟确定柱状节理岩体各向异性比的方法与流程

本发明涉及一种确定岩体各向异性的方法，特别涉及一种采用数值模拟手段确定柱状节理岩体各向异性比的方法，属于岩石力学与工程、岩土力学等领域。

背景技术

柱状节理是一种常见于玄武岩中的原生张性破裂构造，广泛分布于我国西南地区。随着我国水电建设的发展，有越来越多的工程涉及到柱状节理岩体。柱状节理岩体是一类具有特殊结构特征的岩体，其变形和强度等力学特性受结构面方向的影响而表现出明显的各向异性性质。大量研究成果表明，在这种岩体中进行构筑物的建造，构筑物的走向于柱体倾角的关系对结构的稳定性有着至关重要的关系，因此深入认识并掌握柱状节理岩体各向异性力学特性对工程的设计与施工有着重要的指导意义。

针对柱状节理岩体各向异特性的研究，众多学者主要从以下几个方面：

(1)现场原位试验

有学者通过现场真三轴试验系统对柱状节理岩体开展了尺寸为50cm×50cm×100cm原位试验，获取了岩体在不同应力水平下的各向异性变形参数。原位试验能准确反映工程实际情况，是获取岩体力学性质最直接的方法，但经济和时间成本极高，而且可重复性和可控性较差，柱状节理多边形构造的随机性和现场试验仪器的尺寸也将导致试验结果不具备典型性。

(2)室内模型试验

为了克服原位试验的不足，采用石膏、熟石灰、标准砂和水的混合物制作大尺寸相似结构柱状节理岩体模型试样，开展不同柱体倾岩体的室内模型试验研究，分析了各向异性特征。在阐述问题机理性质和规律的揭示上，相似材料模型试验相比现场试验而言有其特有的优势，但仍存在一定缺陷，比如人工制样的离散型，柱体强度不统一、节理充填不完全等。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的针对现有的各向异性研究方法存在的问题，提供一种基于数值模拟确定柱状节理岩体各向异性比的方法，该方法通过重复批量开展各向异性柱状节理岩体数值试验，自动提取监测数据并计算出柱状节理岩体各向异性比。

技术方案：本发明所述的基于数值模拟确定柱状节理岩体各向异性比的方法，包括如下步骤：

步骤1，通过有限元软件建立不同柱体倾角的柱状节理岩体试样；

步骤2，选择相应的本构模型，并赋予该本构模型所需的物理力学参数；

步骤3，设置该本构模型的计算条件、并调试计算程序，开展不同柱体倾角柱状节理岩体试样在不同围压条件下的数值模拟；

步骤4，提取数值模拟过程中的监测数据，计算柱状节理岩体各向异性比。

上述步骤1中，在0～90°之间以10～15°的等间距设置柱体倾角。优选的，柱体倾角按照等间距10°设置，分别建立柱体倾角0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°和90°共10个试样。

具体的，步骤2中，根据柱状节理岩体的特点，选择有限差分计算软件里的应变软化模型(s-smodel)作为柱状节理岩体的本构模型。相应的，该应变软化模型所需要的物理力学参数包括：弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、抗拉强度、重度和剪胀角。

上述步骤3中，该本构模型的计算条件包括：

(1)设置初始围压，在进行轴向压缩前将围压施加至目标值；

(2)采用有限差分计算程序对监测试样进行轴向加载，设置加载速率，加载方式按应变加载控制；

(3)在有限差分迭代计算过程中，根据监测试样的应力-应变关系曲线变化决定是否停止计算；

(4)自动控制不同柱体倾角的试样在不同围压下进行数值试验。

进一步的，计算条件(3)中，停止计算的标准为监测试样的应力-应变关系曲线出现峰值点。

步骤4中，自动提取不同围压下每一个柱体倾角试样的轴向应变和轴向应力，绘制同一围压下不同柱体倾角试样的应力-应变关系曲线，监测该应力-应变关系曲线，获取不同围压下由抗压强度确定的各向异性比a1以及由弹性模量确定的各向异性比a2。

其中，某一围压下不同柱体倾角的柱状节理岩体的各向异性比a1的计算公式为：

a1＝σmax/σmin，

式中，σmax和σmin分别为该特定围压下不同柱体倾角试样的抗压强度的最大值和最小值。

某一围压下不同柱体倾角的柱状节理岩体的各向异性比a2的计算公式为：

a2＝emax/emin，

式中，emax和emin分别为该特定围压下不同柱体倾角试样的弹性模量的最大值和最小值；其中，某一围压下不同柱体倾角试样的弹性模量可根据试样在弹性阶段的轴向应变和对应的轴向应力确定。

通过上述方法可由抗压强度和弹性模量分别确定不同柱体倾角试样在不同围压下的各向异性比a1和a2，从而可得到各向异性比随围压的变化曲线，通过该曲线可确定临界各向异性比，并可确定与临界各向异性比所对应的围压c0，c0的值对工程设计的安全性有着重要的指导意义。

有益效果：与现有技术的现场试验和室内试验确定各项异性的方法相比，本发明的优点在于：本发明基于连续介质数值模拟方法可重复批量开展各向异性柱状节理岩体数值试验，分析不同应力状态下的柱状节理岩体各向异性，进而方便、快捷地确定各向异性比，而且，本发明的方法基于大量数值试验，模拟结果更加真实可靠，对柱状节理岩体工程的设计、施工及支护方案等有着重要实践指导意义。

附图说明

图1为本发明的基于数值模拟确定柱状节理岩体各向异性比的方法流程图；

图2为实施例中建立的柱状节理岩体的三维模型图及局部放大的三维网格模型；

图3为实施例中柱状节理岩体的剖面图，其中，β为柱体倾角；

图4为实施例中数值模拟监测的某一围压下的应力-应变关系曲线；

图5为实施例中柱状节理岩体各向异性比随围压的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明的基于数值模拟确定柱状节理岩体各向异性比的方法，包括如下步骤：

步骤1，通过有限元软件建立不同柱体倾角的柱状节理岩体试样；一般可在0～90°之间以10～15°的等间距设置柱体倾角；

步骤2，选择相应的本构模型，并赋予该本构模型所需的物理力学参数；

根据柱状节理岩体的特点，可选择有限差分计算软件里的应变软化模型(s-smodel)作为柱状节理岩体的本构模型。相应的，该应变软化模型所需要的物理力学参数包括：弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、抗拉强度、重度和剪胀角。

步骤3，设置该本构模型的计算条件、并调试计算程序，开展不同柱体倾角柱状节理岩体试样在不同围压条件下的数值模拟；计算条件主要包括围压和加载速度，设置计算条件后，编写计算代码并调试通过，可实现自动批量计算与监测数据提取。

步骤4，提取数值模拟过程中的监测数据，计算柱状节理岩体各向异性比。

柱状节理岩体各向异性比包括采用抗压强度确定的各向异性比a1以及采用弹性模量确定的各向异性比a2。通过监测试样的应力-应变关系曲线，获取同一围压下不同柱体倾角试样的抗压强度，用最大值和最小值之比确定各向异性比a1，a1＝σmax/σmin，其中，σmax和σmin为不同柱体倾角试样在同一围压下的最大抗压强度和最小抗压强度。通过监测试样的应力-应变关系曲线，获取弹性阶段的两个不同的轴向应变和与其对应的轴向应力，计算出同一围压下不同柱体倾角试样的弹性模量，用最大值和最小值之比确定各向异性比a2，a2＝emax/emin，emax和emin为不同柱体倾角试样在同一围压下的弹性模量的最大值和最小值。

实施例

以确定某水电站坝基柱状节理岩体各向异性比为例，对本发明的方法进行说明。

第一步：建立三维数值模型

(1)采用有限元前处理软件，建立三维柱状节理岩体数值模型，并进行三维网格剖分，如图2，导入至有限差分软件；

(2)共建10个不同柱体倾角的三维模型，柱体倾角β如图3，β分别取0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°和90°。

第二步：本构模型选取和物理力学参数赋值

(1)选择有限差分计算软件里的应变软化模型；

(2)参数表如表1所示。

表1模型计算参数

第三步：设置计算条件并调试计算程序

(1)设置初始围压，在进行轴向压缩之前将围压施加至目标值；

(2)采用有限差分计算程序进行轴向加载，加载方式按应变加载控制，轴向加载速率设为0.002mm每时间步；

(3)在有限差分迭代计算过程中，根据监测试样的应力-应变关系曲线变化决定是否停止计算，停止的标准为应力-应变关系曲线是否出现峰值点；

(4)实现自动控制10个不同柱体倾角的试样在不同围压下进行数值试验；

(5)根据上述4个要求，编写计算代码并调试通过，可实现自动批量计算与监测数据提取。

第四步：提取数值模拟过程中的监测数据

(1)自动提取不同围压下每一个柱体倾角试样的轴向应变和轴向应力；

(2)绘制每级围压下各柱体倾角试样的应力-应变关系曲线，如图4，其中：横坐标为轴向应变，用轴向位移表示；纵坐标为轴向应力，用轴向压缩强度表示。

第五步：计算各向异性比

(1)根据应力-应变关系曲线，确定同一围压下各柱体倾角试样的峰值应力，该峰值应力即为抗压强度；由图4可知，在某一围压下，柱体倾角为90°的试样峰值应力最大，对应抗压强度最大值σmax，柱体倾角为50°的试样峰值应力最小，对应抗压强度最小值σmin，最大值σmax，从而确定该围压下的各向异性比a1，a1＝σmax/σmin；

(2)根据应力-应变关系曲线，选取在峰值应力之前的直线段，在直线段上选取两点求其斜率，该斜率为试样的弹性模量；相应的，图4中，在该围压下，最大弹性模量emax取自柱体倾角为90°的试样的应力应变曲线，最小弹性模量emin取自柱体倾角为50°的试样的应力应变曲线，确定该围压下的各向异性比a2，a2＝emax/emin；

(3)得到不同柱体倾角试样在不同围压下的各向异性比后，可绘制各向异性比随围压的变化曲线，如图5。可以看出，各向异性比随围压的增加逐渐趋向稳定，通过曲线可确定临界各向异性比，并可确定与临界各向异性比所对应的围压c0，c0的确定可为在柱状节理岩体中的工程安全建设提供指导意义。