一种岩石非线性力学模拟方法、系统、设备及介质

本发明属于岩石工程，特别涉及一种岩石非线性力学模拟方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、岩石变形破坏规律的刻画，是岩石力学与工程、地质灾害防控、能源开采等领域需要解决的核心问题。在外部扰动下，岩石的破坏是一个渐进过程；然而，在实际工程中难以直接观测该过程，从而制约了工程灾害的精准防控。

2、岩石是一种典型的脆性材料，是不同矿物的结合体，具有复杂的微观异质结构。目前的大量研究已经发现，岩石的微观异质结构对其宏观力学行为有显著影响；这种影响表现在许多方面，包括微空隙、微空洞等微观结构，以及矿物成分的多样性、颗粒尺寸的大小、孔隙度的变化等；特别的，颗粒接触方式也是影响岩石力学行为的重要因素。颗粒接触方式在岩石力学中具有重要的地位，其直接关系到岩石在承受载荷时的传递和分布方式，颗粒接触的好坏直接影响岩石的强度和稳定性。解释性的，外力作用下的脆性岩石的破坏过程包括：首先经历微裂纹阶段；然后经历弹性变形阶段，该过程应变能集聚；随后经历裂纹稳定扩展阶段，该过程应变加速集聚，开始伴随着应变能释放；再到非稳定扩展阶段，大量应变能释放；最后到峰值及峰后破坏阶段，应变能释放减弱。

3、为了研究岩石的变形破坏规律，通常需要进行一系列的试验，包括室内试验、现场试验和数值模拟等。具体解释性的，实验室观测表明岩石的微观结构会显著影响脆性岩石在压缩过程中的裂纹萌生、扩展和非线性扩展，但室内试验定量阐明微观结构对岩石力学特性的影响面临许多挑战；其中，isrm（国际岩石力学学会）对岩石样品的尺寸和端面不平整度做了严格规定，野外采样难以保证岩石样品的完整性和一致性；岩石样品从野外运输至室内不确定性因素很多，要保证岩石样品的完好需要大量的人力物力财力；此外，由于温度，湿度等环境因素影响，实验过程中也难以保证对单一因素的控制，降低了实验结果的可对比性。

4、目前的数值模拟方法在处理某些现象时也存在一定的局限性；其中，在数值模拟中，缺少能够表征岩石材料非线性力学行为的本构模型，导致在揭示岩石微观-宏观非线性力学行为的微观机理上存在困难。示例解释性的，如在模拟岩石微观结构及非线性力学行为对其声发射信号（能量）的影响时，往往会出现一些不真实的结果，无法精确预测声发射信号在岩体的传播特性，使得岩体工程稳定性评价出现误差甚至错误，进而会影响工程建设的安全。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种岩石非线性力学模拟方法、系统、设备及介质，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的技术方案，具体是一种基于离散元的岩石非线性力学模拟方案，提出了基于离散元的颗粒接触本构模型，能够精确模拟岩石材料非线性力学行为。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明第一方面，提供一种岩石非线性力学模拟方法，包括以下步骤：

4、获取待非线性力学模拟的岩石的宏观力学参数；

5、基于获取的所述宏观力学参数，利用pfc2d软件调用基于离散元的颗粒接触本构模型进行建模，获得岩石模型；

6、基于获得的所述岩石模型进行岩石单轴压缩试验模拟，获得表征岩石非线性力学行为的微观参数和应力应变曲线。

7、本发明的进一步改进在于，所述宏观力学参数包括抗拉强度、抗压强度、剪切强度、弹性模量、黏聚力和内摩擦角。

8、本发明的进一步改进在于，所述基于离散元的颗粒接触本构模型中，

9、压缩变形满足以下本构关系，

10、；

11、式中，、、、分别为颗粒接触的压应力、闭合量、最大允许闭合量和初始压缩刚度。

12、本发明的进一步改进在于，所述基于离散元的颗粒接触本构模型中，

13、拉伸变形满足以下本构关系，

14、；

15、式中，、、、t分别为颗粒接触的拉应力、拉伸位移、拉伸刚度、抗拉强度；

16、剪切变形满足以下本构关系，

17、；

18、式中，、、、、和分别表示颗粒接触的剪应力、压应力、剪切位移、常剪切刚度、黏聚力和摩擦角。

19、本发明的进一步改进在于，所述微观参数包括压缩刚度、剪切刚度、拉伸刚度和颗粒压缩最大允许闭合量。

20、本发明的进一步改进在于，

21、所述pfc2d软件的版本为pfc2d.6.0；

22、所述基于离散元的颗粒接触本构模型通过pfc2d.6.0的外部接口visual c++开发，编写的供程序调用的c++动态链接库内嵌于pfc2d.6.0的外部接口。

23、本发明第二方面，提供一种岩石非线性力学模拟系统，包括：

24、参数获取模块，用于获取待非线性力学模拟的岩石的宏观力学参数；

25、模型构建模块，用于基于获取的所述宏观力学参数，利用pfc2d软件调用基于离散元的颗粒接触本构模型进行建模，获得岩石模型；

26、模拟模块，用于基于获得的所述岩石模型进行岩石单轴压缩试验模拟，获得表征岩石非线性力学行为的微观参数和应力应变曲线。

27、本发明的进一步改进在于，所述基于离散元的颗粒接触本构模型中，

28、压缩变形满足以下本构关系，

29、；

30、式中，、、、分别为颗粒接触的压应力、闭合量、最大允许闭合量和初始压缩刚度。

31、本发明第三方面，提供一种电子设备，包括：

32、至少一个处理器；以及，

33、与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

34、所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如本发明第一方面中任一项所述的岩石非线性力学模拟方法。

35、本发明第四方面，提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明第一方面中任一项所述的岩石非线性力学模拟方法。

36、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

37、本发明具体提供了一种基于离散元的岩石非线性力学模拟方法，提出了基于离散元的颗粒接触本构模型，能够精确模拟岩石材料非线性力学行为；本发明提供的方法具有准确性高、适用性强的优势，能够精准预测灾害风险。

38、现有传统的离散元颗粒模型中的颗粒接触主要为线性接触模型，对岩石压缩硬化过程中能量释放及力学行为的模拟与实际破坏状态误差极大；因此，不足以表征不同微观结构下的非线性力学行为特征。与之不同的，本发明技术方案创造性提出了基于离散元的颗粒接触本构模型，在压缩变形满足的本构关系中添加了非线性接触本构关系和破坏强度准则，可以准确模拟岩石从微观结构到宏观的非线性力学行为及渐变破坏过程。另外，由于固有的微观结构不均匀性，使最小主应力和法向接触应力的分布不均匀，颗粒接触的压缩刚度和塑性区的强度参数在不同的颗粒接触（塑性区）之间存在差异，而现有的离散元颗粒模型采用恒定颗粒强度参数，恒定的力学性能被设置为颗粒接触；因此，不足以表征岩石材料破坏的渐进过程，不能有效反映与塑性应变的密切关系。与之不同的，本发明技术方案中考虑了岩石压缩破坏的塑性应变相关的材料强度参数和应力相关的颗粒接触刚度，将非线性接触的压缩行为用bandis-barton（b-b）模型描述；因此，本发明可以合理刻画岩石破坏过程的非线性过程，模拟应力应变曲线结果与岩石实际破坏过程高度吻合，具有良好的通用性和优势。