[发明专利]一种恒定刚度下岩石结构面剪切连续-非连续数值方法

说明书

本发明涉及一种恒定刚度下岩石结构面剪切连续‑非连续数值方法，包括：通过3D扫描技术获得岩石结构面两盘的形貌特征，提取其中控制型二维形貌；基于控制型二维形貌建立岩石结构面剪切力学模型；将岩石结构面剪切力学模型导入到连续‑非连续数值模拟软件中，划分单元，校核岩石结构面剪切力学模型的细观参数；进行刚度校核及建立法向应力‑时间步长关系；最后施加给定刚度边界条件，利用连续‑非连续(FDEM)数值方法开展相关的剪切试验数值模拟，从宏细观角度揭示其破坏机制。该方法为准确认识并科学掌握地下工程中结构面力学响应及破裂机制奠定了坚实基础。

技术领域

本发明涉及岩石力学与工程技术领域，特别涉及一种恒定刚度下岩石结构面剪切连续-非连续数值方法。

背景技术

岩土工程广泛发育有各级岩石结构面，严重影响工程安全。剪切试验是最常用于评估结构面力学性能的方法，由于结构面特征及试验限制，剪切过程中难以获取裂纹损伤演化特征、应力及位移场特征，限制了对于岩石结构面破坏机制的认识。

数值模拟方法也被用于认识结构面破坏机制，而连续方法难以模拟结构面破坏过程中裂纹扩展演化，非连续方法不能很好地模拟从连续到非连续的演化过程。连续-非连续数值模拟方法集成了上述两种方法的优点，能够很好的克服上述缺点，揭示裂纹损伤演化特征、应力及位移场特征。

而且，根据剪切试验过程中所施加法向边界条件的不同，直剪试验可分为常法向荷载(constantnormal load，CNL)剪切和常法向刚度(constant normal stiffness，CNS)剪切2种类型。前者对应地表或浅埋工程如边坡中未锚固缓倾结构面、坝基等在剪切滑移过程中的边界条件，而绝大多数地下工程中岩体结构面的边界条件更加接近于后者。由于受试验设备能力的制约，目前绝大多数结构面直剪试验仍是在CNL条件下完成的。

目前尚未见有关于二维岩石结构面剪切试验连续-非连续数值方法，特别是针对常法向刚度剪切试验的。

发明内容

本申请提供了一种恒定刚度下岩石结构面剪切连续-非连续数值方法，解决或部分解决了现有技术缺乏关于二维岩石结构面剪切试验连续-非连续数值方法的技术问题；实现了提供一种针对常法向刚度剪切试验的恒定刚度下岩石结构面剪切连续-非连续数值方法。

本申请所提供的一种恒定刚度下岩石结构面剪切连续-非连续数值方法，包括以下步骤：

步骤一：通过3D扫描技术获得岩石结构面上下盘的形貌特征，提取其中控制型二维形貌；

步骤二：基于所述控制型二维形貌建立岩石结构面剪切力学模型，所述岩石结构面剪切力学模型的上剪切盒顶部设置有一个刚性块体；

步骤三：将所述岩石结构面剪切力学模型导入到连续-非连续数值模拟软件中，划分单元，校核所述岩石结构面剪切力学模型的细观参数；

步骤四：对所述岩石结构面剪切力学模型进行刚度校核及建立法向应力-时间步长关系；

步骤五：施加给定边界条件，利用连续-非连续数值方法开展所述岩石结构面剪切力学模型的剪切试验数值模拟，从宏细观角度揭示岩石结构面的破坏机制。

作为优选，所述步骤一包括：

对结构面试样的上下盘结构面进行3D扫描，获得所述结构面试样的上下盘结构面点云数据；

对所述上下盘结构面点云数据进行均匀化处理，沿所述结构面试样的剪切方向提取二维轮廓线，分别计算各条二维轮廓线的粗糙度以及所述上下盘结构面对应两条轮廓线的匹配程度；

综合所述粗糙度及所述匹配程度指标，利用岩石结构面强度公式预估各所述轮廓线的强度，选取强度最大的轮廓线作为所述控制型二维形貌。

作为优选，所述结构面试样的上下盘结构面通过现场采集、劈裂或剪切获得；