基于连续-非连续单元的硬岩洞室围岩破裂模拟方法.pdf

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1、(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202310852718.2(22)申请日 2023.07.12(71)申请人 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司地址 310014 浙江省杭州市潮王路22号(72)发明人 钟大宁王鸿振高要辉陈珺韩月张晓艳刘宁(74)专利代理机构 杭州九洲专利事务所有限公司 33101专利代理师 韩小燕沈敏强(51)Int.Cl.G06F 30/13(2020.01)G06F 30/20(2020.01)G06F 111/10(2020.01)G06F 119/14(2020.01)G06F 111/04(2。

2、020.01)(54)发明名称基于连续-非连续单元的硬岩洞室围岩破裂模拟方法(57)摘要本申请涉及一种基于连续非连续单元的硬岩洞室围岩破裂模拟方法，包括以下步骤：获取所述硬岩洞室的洞室断面信息，根据获取的断面信息建立洞室的二维几何模型；采用三角形网格对建立的所述二维几何模型进行网格划分；结合所述二维几何模型的位移边界条件和力边界条件，生成初始应力场；使用连续非连续的数值分析法对所述初始应力场进行数值模拟，在数值模拟过程中带入围岩的力学性质和开挖过程，实现围岩破裂的精准模拟。该模拟方法克服了传统连续介质分析方法和非连续介质分析方法的局限性，为模拟围岩破裂的时空转变过程提供有效途径。权利要求书1页。

3、 说明书4页 附图2页CN 117131567 A2023.11.28CN 117131567 A1.一种基于连续非连续单元的硬岩洞室围岩破裂模拟方法，用于对硬岩洞室进行渐进破坏过程的模拟，其特征在于，包括以下步骤：1）获取所述硬岩洞室的洞室断面信息，根据获取的断面信息建立洞室的二维几何模型；2）采用三角形网格对建立的所述二维几何模型进行网格划分；3）结合所述二维几何模型的位移边界条件和力边界条件，生成初始应力场；4）使用连续非连续的数值分析法对所述初始应力场进行数值模拟，在数值模拟过程中带入围岩的力学性质和开挖过程，实现围岩破裂的精准模拟。2.根据权利要求1所述的基于连续非连续单元的硬岩洞室。

4、围岩破裂模拟方法，其特征在于，所述步骤1）中，所述二维几何模型的模型边界可取1020倍所述硬岩洞室的开挖直径，以消除边界效应的影响。3.根据权利要求2所述的基于连续非连续单元的硬岩洞室围岩破裂模拟方法，其特征在于，所述步骤1）中，获取的所述断面信息至少包括硬岩洞室的断面形状和断面尺寸。4.根据权利要求13中任一项所述的基于连续非连续单元的硬岩洞室围岩破裂模拟方法，其特征在于，所述步骤2）中，在进行网格划分时，需分区域划分网格，网格尺寸从里向外逐渐增大。5.根据权利要求4所述的基于连续非连续单元的硬岩洞室围岩破裂模拟方法，其特征在于，所述步骤3）在生成初始应力场时包括以下步骤：根据工程实际的地应。

5、力报告，获取洞室区域的地应力信息，所述地应力信息至少包括大小和方位；模型底部采用固定约束，在模型沿重力方向的上表面及左右两侧分别施加相应的正应力和剪应力进行计算获得初始应力场。6.根据权利要求4所述的基于连续非连续单元的硬岩洞室围岩破裂模拟方法，其特征在于，所述步骤4）中，使用连续非连续的数值分析法进行破裂过程模拟时，需考虑峰后围岩力学性质的变化，即黏聚力弱化摩擦角强化的性质，通过多次的替换开挖区材料并计算到收敛来实现渐进开挖模拟。权利要求书1/1 页2CN 117131567 A2基于连续非连续单元的硬岩洞室围岩破裂模拟方法技术领域0001本申请涉及岩土工程非连续变形模拟技术领域，尤其涉及一。

6、种基于连续非连续单元的硬岩洞室围岩破裂模拟方法。背景技术0002我国西部地区独特的地质背景条件，往往使重大工程建设处于非常复杂和脆弱的地质环境中，具体表现为地应力高和岩石坚硬性脆，如锦屏一级、锦屏二级、江边、猴子岩及白鹤滩等。在高应力和岩石坚硬性脆的综合作用下，硬脆围岩在开挖过程中极易发生破裂现象，这样的破裂现象会对工程安全造成巨大隐患。发明内容0003本申请实施例提供一种基于连续非连续单元的硬岩洞室围岩破裂模拟方法，该模拟方法为模拟围岩破裂的时空转变过程提供了有效途径。0004本申请实施例提供的硬岩洞室围岩破裂模拟方法包括以下步骤：1）获取所述硬岩洞室的洞室断面信息，根据获取的断面信息建立洞。

7、室的二维几何模型；2）采用三角形网格对建立的所述二维几何模型进行网格划分；3）结合所述二维几何模型的位移边界条件和力边界条件，生成初始应力场；4）使用连续非连续的数值分析法对所述初始应力场进行数值模拟，在数值模拟过程中带入围岩的力学性质和开挖过程，实现围岩破裂的精准模拟。0005在一种可选的方案中，所述步骤1）中，所述二维几何模型的模型边界可取1020倍所述硬岩洞室的开挖直径，以消除边界效应的影响。0006在一种可选的方案中，所述步骤1）中，获取的所述断面信息至少包括硬岩洞室的断面形状和断面尺寸。0007在一种可选的方案中，所述步骤2）中，在进行网格划分时，需分区域划分网格，网格尺寸从里向外逐。

8、渐增大。0008在一种可选的方案中，所述步骤3）在生成初始应力场时包括以下步骤：根据工程实际的地应力报告，获取洞室区域的地应力信息，所述地应力信息至少包括大小和方位；模型底部采用固定约束，在模型沿重力方向的上表面及左右两侧分别施加相应的正应力和剪应力进行计算获得初始应力场。0009在一种可选的方案中，所述步骤4）中，使用连续非连续的数值分析法进行破裂过程模拟时，需考虑峰后围岩力学性质的变化，即黏聚力弱化摩擦角强化的性质，通过多次的替换开挖区材料并计算到收敛来实现渐进开挖模拟。0010本申请实施例的有益效果在于：本申请实施例提供的基于连续非连续单元的硬岩洞室围岩破裂模拟方法，该模说明书1/4 页。

9、3CN 117131567 A3拟方法根据工程实际的地应力报告，结合模型的位移边界条件和力边界条件，生成初始应力场；采用连续非连续的数值分析方法进行数值模拟，考虑峰后围岩的力学性质和开挖过程，实现围岩破裂的精准模拟，克服了传统连续介质分析方法和非连续介质分析方法的局限性，为模拟围岩破裂的时空转变过程提供有效途径。0011应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。附图说明0012图1为本申请在一种具体实施例中的总体流程图；图2为本申请在一种具体实施例中的几何模型示意图。0013此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一。

10、起用于解释本申请的原理。具体实施方式0014为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。0015应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。0016在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。0017应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表。

11、示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。0018需要注意的是，本申请实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本申请实施例的限定。此外，在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件连接在另一个元件“上”或者“下”时，其不仅能够直接连接在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接连接在另一个元件“上”或者“下”。0019硬脆围岩的破裂变形是内部微裂缝启裂、扩展、贯通的宏观表现，不仅涉及地质体的连续介质力学特性和非连续。

12、介质力学特性，还涉及地质体从连续到非连续的时空转变过程。当前针对硬岩洞室围岩破裂模拟主要有连续介质分析法和非连续介质分析法，也对连续非连续耦合方法进行了许多有益的探索。但是连续介质分析法不适用于模拟硬岩破裂的非连续变形；非连续介质分析法在处理大变形问题及单元体之间的相互作用方面具有独特优势，但破裂仅限发生在单元边界，且往往会面临着宏观参数与细观参数关系难以匹配的问题。因此，在硬岩洞室围岩破裂模拟中，亟待寻找一种较好的模拟方法，可以实现渐进破坏过程的模拟。0020基于此，本申请实施例提供了一种基于连续非连续单元的硬岩洞室围岩破裂模拟方法，该模拟方法为模拟围岩破裂的时空转变过程提供了有效途径，如图。

13、12所示，该模说明书2/4 页4CN 117131567 A4拟方法具体包括以下步骤：1）获取硬岩洞室的洞室断面信息，根据获取的断面信息建立洞室的二维几何模型；2）采用三角形网格对建立的二维几何模型进行网格划分；3）结合二维几何模型的位移边界条件和力边界条件，生成初始应力场；4）使用连续非连续的数值分析法（CDEM）对初始应力场进行数值模拟，在数值模拟过程中考虑围岩的力学性质和开挖过程，实现围岩破裂的精准模拟。0021在一种具体实施例中，在步骤1）中，二维几何模型的模型边界可取1020倍硬岩洞室的开挖直径，以消除边界效应的影响。此外，在步骤1）中获取的断面信息至少包括了硬岩洞室的断面形状和断面。

14、尺寸。0022在一种具体实施例中，在步骤2）中，在进行网格划分时，需分区域划分网格，网格尺寸从里向外逐渐增大，这样既满足精度要求，又不影响计算效率。0023在一种具体实施例中，步骤3）在生成初始应力场时包括以下步骤：根据工程实际的地应力报告，获取洞室区域的地应力信息，地应力信息至少包括大小和方位；模型底部采用固定约束，在模型沿重力方向的上表面及左右两侧分别施加相应的正应力和剪应力进行计算获得初始应力场。0024在一种具体实施例中，在步骤4）中，采用连续非连续单元法进行破裂过程模拟，要考虑峰后围岩力学性质的变化，即黏聚力弱化摩擦角强化的性质；采用连续非连续单元法进行破裂过程模拟，通过若干次的替换。

15、开挖区材料并计算到收敛来实现渐进开挖模拟在一种具体实施例中，如图1所示，基于连续非连续单元的硬岩洞室围岩破裂模拟方法包括以下步骤：步骤1、根据洞室断面尺寸，建立洞室的二维几何模型：图2为一个典型圆形洞室断面，直径3.5米。为了消除边界效应的影响，几何模型的范围取约17倍洞室直径，断面尺寸为60m 60m。0025步骤2、采用三角形网格对几何模型进行网格划分：如图2所示，分区域划分网格。区域1为被开挖掉的洞室部分，网格尺寸从中心向边缘由大到小过渡，边缘网格尺寸为0.03m；区域2为重点关注区域，围岩破裂发生在这个区域，网格尺寸最小，统一为0.03m；区域3和区域4为过渡区域，网格尺寸内部从里向外。

16、逐渐增大。0026步骤3、根据工程实际的地应力报告，获取洞室区域的地应力信息，包括大小和方位；模型底部采用固定约束，上表面及左右两侧分别施加相应的正应力和剪应力进行计算获得初始应力场。0027步骤4、采用连续非连续单元法进行破裂过程模拟，针对围岩力学性质，要考虑单元剪切破坏后，黏聚力弱化摩擦角强化的性质；如表1所示，洞室开挖之前，需要通过若干次的替换开挖区材料并计算到收敛来实现渐进开挖模拟，主要是将洞室开挖区的弹性模量降低，其它参数保持不变。0028表1 开挖过程模拟说明书3/4 页5CN 117131567 A5以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。说明书4/4 页6CN 117131567 A6图1说明书附图1/2 页7CN 117131567 A7图2说明书附图2/2 页8CN 117131567 A8。