[发明专利]基于高斯随机场的岩土体结构随机裂隙模拟方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于高斯随机场的岩土体结构随机裂隙模拟方法及装置，属于岩土裂隙结构模拟领域，利用ABAQUS将材料参数与场变量进行关联，通过UFIELD子程序传递参数，并利用Fortran语言在子程序中编写程序生成二维高斯随机场，根据随机值是否在定义的裂隙区域范围内来辨别随机介质的类别，再对不同介质赋予不同的强度值。可通过控制相关长度、旋转角度及相对面积比等参数来表征裂隙在岩土工程结构中的真实形态，操作简便，有效节约了计算时间和资源。本发明能够将ABAQUS软件子程序优点与随机场的表征高效结合，可以根据实际情况灵活控制组成裂隙的关键因素，普适性较高，实现了随机裂隙在岩土结构中的可能存在状态。

技术领域

本发明属于岩土裂隙结构模拟技术领域，更具体地，涉及一种基于高斯随机场的岩土体结构随机裂隙模拟方法及装置。

背景技术

随着工程技术的不断创新发展，大型地下空间开采、高陡边坡、隧道开挖等岩土工程已取得突破进展，但施工安全问题也越来越受到重视。尤其在岩体裂隙发育等较差的地质条件下，如何预测裂隙在岩土体中可能的存在模式及其可能对工程产生的影响，进而有利于及时采取工程措施以保证建设工程的稳定和安全，是岩土工程设计人员和工程师必须面对的难题和挑战之一。

在岩土工程实践中，由于受气候变化和地质条件的影响，岩土体中通常含有一定数量的裂隙结构，对岩土体的强度和稳定性产生重要影响。裂隙的存在为岩土体局部破坏提供了优先渠道，随着变形的不断扩大，进而导致整体失效，容易造成严重的工程经济损失。裂隙在岩土体中的形态呈多样化，长度大小不一，延伸方向往往具有一定的规律性。主要有两种存在类型：干缩裂隙和原生裂隙。由于气候条件的变化，在大气影响土层范围内，受干湿循环影响而产生的干缩裂隙是在后期形成的，可以通过一定的工程措施进行改善处理。然而，在土体形成的过程中，由于地质条件的变化，产生的原生裂隙往往存在于更深层的岩土体中，裂隙分布的隐蔽性和不确定性给探测裂隙的结构造成较大的困难。相对而言，原生裂隙对工程建设稳定性的影响更为关键。经过地质沉降、降雨入渗等作用，裂隙通常被强度较低的黏土所填充，并且裂隙面的含水率明显高于两侧土体。由于技术条件所限，这一事实通常被研究人员所忽略。

为反映裂隙在结构中的真实形态，进一步评估裂隙对岩土整体结构安全的影响，数值模拟技术提供了一种有效的途径。目前，基于数字图像和CT技术识别岩土体中裂隙的形态是常见的方法之一，可以有效反映给定土体截面的裂隙结构。然而，在对含裂隙的岩土体进行稳定性分析时，模型中需要加入裂隙网络才能更接近真实状态。在现有的岩土体稳定性分析中，对裂隙存在的假定主要有以下几点：(1)大多数是在模型关键位置处人为地假定一条或者几条单一的直线状裂隙，不能保证裂隙的数量以及呈闭合状态的特性；(2)裂隙被假定为在竖直方向延伸，不能反映裂隙的倾向和随机性；(3)裂隙被简单地假定为边界条件，忽略了裂隙容易被低强度黏土填充的现实。

由于裂隙的不确定性和试验技术所限，大多避开直接对裂隙进行模拟，以上基本假定是为了方便计算而对真实情况做的一种简化，大大低估了裂隙结构对岩土体整体稳定的影响。在传统的方法中，尚未发现能够将裂隙网络与岩土体融为一体的高效生成机制，并以此模型为基础展开的稳定性分析。此外，具有不同倾角的裂隙网络对整体结构稳定的作用机理是不同的，具体表现在裂隙发展方向与滑动方向夹角的大小。

基于此，现有方法尚不能解决此类问题，亟需发展一种能够高效反映岩土体裂隙基本特性的裂隙模拟方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于高斯随机场的岩土体结构随机裂隙模拟方法及装置，由此解决现有裂隙模拟方法不能有效反映裂隙真实形态，进而无法有效评估裂隙对岩土整体稳定性影响的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于高斯随机场的岩土体结构随机裂隙模拟方法，包括：