[发明专利]一种FDEM-Voronoi颗粒模型的能量数值计算方法

说明书

本发明涉及一种FDEM‑Voronoi颗粒模型的能量数值计算方法，本发明目的是针对高应力环境下硬岩破裂模式表征和能量计算缺乏有效数值计算方法问题，在有限元‑离散元耦合数值方法(FDEM)框架下，提供一种FDEM‑Voronoi颗粒模型，表征深部硬岩隧洞或洞室开挖区应力诱发张拉和张剪断裂机制，并基于该模型发明了破裂过程中应变能、动能、断裂能、摩擦耗能等等能量成分的数值计算方法。可用于水电、采矿、交通和铁路等行业的深部地下隧洞(道)和硐室(群)高应力诱发破裂与岩爆能量释放过程中能量评估领域。

技术领域

本发明涉及岩土工程中硬脆性岩体高应力动态破裂过程中应变能、动能、断裂能、摩擦耗能等能量成分的数值计算。

技术背景

高应力条件下硬脆性岩体发生破裂后原有应变能将被释放、消耗和转化，大部分释放能量消耗在岩体破裂过程，部分能量转化为应力波向岩体外传播，部分因摩擦作用转化为热能等。高储能释放后各能量份额的比例关系以及它们随着破裂演化过程的变化规律是决定这深部岩体力学行为的关键控制因素之一。如深部岩体高应力诱发岩爆灾害，其爆坑岩块的动力冲击性和弹射速度是与岩爆发生时应变能向动能转化的比例密切相关，同时高储能岩体断裂时辐射的应力波也是造成岩爆发生的重要因素之一。可见，高应力硬脆性岩体断裂过程中能量演化过程对研究和揭示深部高应力诱发破裂和岩爆灾害发生机理至关重要。

然而，目前工程界和学术界对高应力硬脆性岩体断裂过程中能量比例关系量化缺乏有效的计算方法和数值理论。虽然国内外学者提出了众多能量数值指标，如：能量释放率(ERR)、能量储存率(ESR)、局部能量释放密度(LERD)、模拟地层功(MGW)和局部能量释放率(LERR)、相对能量释放指数(RERI)等，但这些指标大多基于弹性、弹塑性数值分析方法，对断裂过程和能量集聚和释放过程均采用连续介质力学宏观表征的方法。然而，高应力诱发硬岩破裂本质是连续到非连续的转变过程，能量宏观表征已不足以满足这种两种状态转化过程的量化需求。这正是上述指标仅用于高应力破裂或岩爆灾害倾向性评估的重要原因，难于满足岩爆等灾害深入研究的需求，如无法对岩爆爆出岩块动能进行准确计算，无法估计动态断裂震源有效量级以及震动传播过程PPV量值及其分布等。

存在的问题主要包含三个方面：

(1)缺乏有效表征硬岩连续-非连续破裂过程表征的数值方法。目前，几个高级耦合数值计算方法，如近场动力学方法、有限元-离散元耦合方法、数值流形方法等正努力填补数值方法的不足。

(2)缺乏准确表征硬岩高应力诱发断裂机制的岩体结构表征方法。虽然已经有大量基于离散元颗粒流、三维粘结块体以及扩展有限元模型的岩体破裂结构与机制计算方法，但在表征开挖面附近低围压高法向荷载形成的张拉或张剪破裂机制时都表现出明显的不适应性。本发明中提出的FDEM-Voronoi颗粒模型正是独创的解决该问题的最新方法，是在有限元-离散元理论(FDEM)框架下双尺度Voronoi颗粒模型与节理粘结过程区模型耦合，形成了类似于实验室尺度穿晶、沿晶的断裂机制并推广到现场工程尺度，能够有效解决洞室开挖边界处低围压高法向荷载形成的张拉或张剪破裂机制问题。

(3)缺乏对硬岩破裂过程能量成分定量计算的有效算法。因此，本发明在FDEM-Voronoi颗粒模型基础上考虑双尺度Voronoi颗粒模型与节理粘结过程区模型耦合控制作用，建立了应变能、动能、断裂能、摩擦耗能等能量成分的数值计算方法。本发明的创新在于发明了一种准确表征高应力岩体破裂模式的岩体结构模型，并基于该模型在FDEM理论框架下计算能量成分的数值方法。

该发明对准确表征高应力硬岩破裂演化模式、准确计算破裂过程中各能量成分和深入揭示深部硬岩岩爆灾害发生机理等具有理论意义。对评估岩爆震动参数、块体弹射速度以及破裂损伤区范围、设计合理支护系统方案及防控措施和相关参数具有重要的工程应用价值。

发明内容