一种含有交叉闭合裂缝的节理岩体离散元模型生成方法

本发明属于节理岩体数值模拟研究，具体涉及一种含有交叉闭合裂缝的节理岩体离散元模型生成方法。

背景技术：

1、裂缝是很常见的一种地质构造现象，就是我们在日常生活中，在岩石露头上所见的裂缝。闭合裂缝是由于岩石受力而出现的裂隙，但裂开面的两侧没有发生明显的位移。这与地质学上节理的概念相类似，节理是沿破裂面两侧无明显位移的断裂。因此地质学上也将这种裂缝称为节理。

2、为探究闭合裂缝对在节理岩体中对岩体力学行为的影响，国内外学者开展了大量相关研究。室内实验通常使用人为制造岩石材料样本和天然岩石样本；然而，人为制造的样本很难生成闭合裂缝，且生成的数量有限。同时，由于带有闭合裂缝的天然岩石样本的制取，一般是在现场用钻头钻取，想要获得未扰动的天然岩石样本是非常困难的；在钻取过程中，周围岩体及岩体样本内部都会受到扰动，进而导致岩体内部的闭合裂缝发生变化。随着科技发展，如今还有通过ct等内部扫描的方式获取岩体闭合裂缝的信息，但对实验设备有较高要求，实验成本巨大。如c.h. park在论文《crack coalescence in specimens withopen and closed flaws: a comparison, international journal of rock mechanicsand mining sciences 46(5) (2009) 819-829》中，其分析了开口裂隙和闭合裂缝对人造岩体样本的不同影响；然而，一方面闭合裂隙的生成非常困难，另一方面人工制成的闭合裂缝数量有限且无法按照想要的规律分布；因此，仅通过实验很难对带有交叉闭合裂缝的节理岩体的力学性质有准确深入的研究。

3、近年来，随着计算机技术的日益发展，数值模拟方法在土木工程领域的应用愈加广泛。通过数值模拟方法可以很好的克服实验中取样困难、成本较大及实验误差等问题。但现如今大多数的数值模拟模型中闭口裂缝采用的是“smooth joint”模型，此种模型是在闭合裂缝的两侧画两条同等长度的线段，对这两条线段之间的接触做删除处理；这样处理就类似于给闭合裂缝一定的宽度，使得闭合裂缝变成类似于开口裂缝，无法真实模拟岩体中的闭合裂缝，如论文:《m. bahaaddini, g. sharrock, b. hebblewhite, numericalinvestigation of the effect of joint geometrical parameters on the mechanicalproperties of a non-persistent jointed rock mass under uniaxial compression,computers and geotechnics 49 (2013) 206-225》；同时，现在的建模方法也无法建立拥有交叉闭合裂缝的数值模拟模型，无法真实模拟自然情况下的节理岩体。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种含有交叉闭合裂缝的节理岩体离散元模型生成方法，解决现有建模技术中闭合裂缝的数值模拟模型，无法真实模拟闭合裂缝，以及生成交叉闭合裂缝的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案实现：

3、一种含有交叉闭合裂缝的节理岩体离散元模型生成方法，包括以下步骤：

4、步骤1：根据设定的第一组闭合裂隙的几何参数和分布规律生成第一组闭合裂缝，根据设定的第二组闭合裂缝的几何参数及分布规律生成第二组闭合裂缝；

5、步骤2：上述两组裂缝设定的坐标系及边界范围一致，将第二组闭合裂缝与第一组闭合裂缝按照裂缝在相同坐标系内的位置坐标进行叠加，生成交叉闭合裂缝的节理岩体几何模型，并记录该节理岩体几何模型的边框位置信息及交叉闭合裂缝的几何坐标信息；

6、步骤3：导出带有交叉闭合裂缝的节理岩体几何模型，将所有闭合裂缝及模型边框都设为边界；对有交叉闭合裂缝的节理岩体几何模型进行网格划分生成节理岩体网格模型，使网格单元沿着边界条件生成，即网格单元不穿过任何边界；

7、步骤4：记录节理岩体网格模型中所有网格单元的编号信息、所有网格的节点编号信息和，以及所有网格单元边的编号信息，每个网格单元、节点和网格单元边均对应一个唯一的编号；

8、步骤5：调用闭合裂缝周边单元判别的算法，根据步骤4记录的网格模型信息，判别带有交叉闭合裂缝的节理岩体几何模型的内边界和外边界；

9、步骤6：根据步骤5判别出的模型内边界信息，及步骤2记录的节理岩体几何模型坐标信息，判别网格单元边是否在对应的闭合裂缝边界上；

10、步骤7：根据步骤6判别出的在闭合裂缝边界上的单元边，及步骤4记录的网格单元信息，找出对应闭合裂缝边界两侧共用该单元边的两个网格单元，并记录找到的网格单元的编号信息；

11、步骤8：重复步骤7，找到闭合裂缝两侧的所有的网格单元，并对这些对网格进行分组，获得最终带有交叉闭合裂缝的节理岩体数值模拟模型。

12、进一步优化，所述步骤1中，生成模型边界及第一组闭合裂缝的过程如下：

13、步骤1.1：建立二维平面直角坐标系xoy，在坐标系中，按照节理岩体的试样大小选定模型边框长度及宽度，建立模型边框；

14、步骤1.2：设定第一组闭合裂缝的几何参数要求和分布规律，第一组闭合裂隙的几何参数包括裂隙的长度、倾角以及数量；在闭合裂缝的分布规律参数中，闭合裂缝的位置分布由相邻两个闭合裂缝的间距来确定，可以均匀分布，也可以随机分布；设定第一组闭合裂缝的倾角，设定为0° - 180°区间内的任意值；

15、步骤1.3：在模型边框内随机选取一点，以此点作为第一条闭合裂缝的中点，沿着所设定的倾角向该点的两侧分别延伸设定裂隙长度的一半，则获得该闭合裂缝的起点与终点，连接起点与终点形成第一条闭合裂缝；

16、步骤1.4：判断闭合裂缝的起点与终点是否超出了模型边框：

17、如果没超出，则进入步骤1.5；

18、如果超出，则将该闭合裂缝用模型边框截断，保留位于模型边框内的部分，模拟节理岩体试样在边框处的裂缝；

19、步骤1.5：重复步骤1.3-1.4，形成第二条闭合裂缝，并根据设定的分布间距参数，计算第二条闭合裂缝的中心点与第一闭合裂缝的中心点间的距离d，判断d是否满足设定的裂缝间的横向水平间隔距离或竖向平行间隔距离；如果满足则继续生成，如果不满足则重新选择中心点；

20、步骤1.6：重复步骤1.3-1.5，直到生成设定数量的裂隙，并满足相邻两条闭合裂缝间的横向水平间隔距离和竖向平行间隔距离要求。

21、进一步优化，第二组闭合裂缝的生成方法与第一组闭合裂缝相同；第二组闭合裂缝的倾角为，设定为0° - 180°区间内的任意值，且第一组闭合裂缝的倾角与第二组闭合裂缝的倾角为不相同。

22、进一步优化，所述步骤5中，判别带有交叉闭合裂缝的节理岩体几何模型的内边界和外边界，具体包括如下步骤：

23、步骤5.1：任取一个边界上所有的节点及网格单元，并记录该边界上的节点数量和网格单元数量，设定该边界上节点数量为m，网格单元数量n，m和n均为大于3的正整数；

24、步骤5.2：判断该边界上节点数量m和网格单元数量n的关系：

25、如果该边界上的网格节点数量m大于网格单元数量n，则此条边界为模型外边界，即为模型边框；因为外边界只有一侧划分网格，且两个节点划分一个网格单元边，边界上一条网格单元边对应一个网格单元，所以节点数必然大于网格单元数量，此时m=n+1；

26、如果边界上的节点数量m不大于网格单元数量n，则此条边界为模型内部边界，即模型内部的交叉闭合裂缝。因为这类边界在模型内部，其两侧都会划分网格单元，所以网格单元数量为节点数量减一的两倍，即n=2(m-1)。

27、步骤5.3：重复步骤5.1- 5.2，对节理岩体几何模型中的所有边界进行判定。

28、进一步优化，所述步骤6，根据步骤5判别出的内部边界，判别网格单元边是否在对应的闭合裂缝边界上，包括如下步骤：

29、步骤6.1：任取一条内部边界上的一个节点，查找到所有用到这个节点的网格单元边，并记录下每条单元边的另一节点编号；

30、步骤6.2：重复步骤步骤6.1，得到该内部边界上所有节点对应的网格单元边另一端的节点编号，对比步骤5记录的网格模型内部边界的节点信息，得到另一节点也在内部边界上的单元边；

31、步骤6.3：重复步骤6.1- 6.2， 得到所有在内部边界上的单元边编号，删除重复的单元边编号，并记录。

32、进一步优化，所述步骤8中，根据步骤7记录下的内部边界两侧的网格单元编号，将两侧网格单元划分为闭合裂缝组；在数值模拟时对这两侧网格单元的接触赋予较弱参数，以此来模拟天然情况下拥有交叉闭合裂缝的节理岩体。

33、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

34、本发明通过设定相关参数控制闭合裂缝的长度、倾角、数量等；同时，本方法能够沿着闭合裂缝生成网格模型，并准确找到闭合裂缝周围网格单元，在数值模拟中更真实准确地模拟闭合裂缝；因此，本方法能够生成带有交叉闭合裂缝的数值模拟模型，更加真实地模拟自然界中的节理岩体。