CN115203900B - 基于离散元的裂隙岩体建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于离散元的裂隙岩体建模方法，包括：a）统计并获取工程岩体节理裂隙分布的密度和岩体节理裂隙分布的产状；b）建立离散元颗粒模型；c）构建含有岩体节理裂隙分布的密度和岩体节理裂隙分布的产状的模型；d）将含有岩体节理裂隙分布的密度和岩体节理裂隙分布的产状的模型按照PFC2D内置的FISH语言格式生成字符串语句，并将该字符串语句写入特定的txt文件；e）完成对离散裂隙网络的建立；f）建立含节理裂隙的离散元颗粒模型。本发明实现了将MATLAB中生成的节理裂隙产状信息导入PFC2D，重构了岩体的随机节理裂隙模型，为后续的裂隙岩体物理力学特性研究和裂隙岩体渗流特性研究创造条件。

Description

基于离散元的裂隙岩体建模方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，涉及一种裂隙岩体建模方法，尤其涉及一种基于离散元的裂隙岩体建模方法。

背景技术

节理是岩石断裂构造的一种，是指岩石产生断裂面但其两侧并没有发生明显的相对位移。节理在天然岩体中分布非常广泛，岩体的力学强度、刚度和渗透性都与节理密切相关，节理的存在显著影响着岩体的力学特性，裂隙岩体的力学行为表现出随机性、不连续性和空间各异性，因此在岩土工程中，裂隙岩体的力学特性是工程中的一个关键问题。目前对工程中存在的裂隙岩体的研究普遍采用数值模拟方法，PFC2D是一款很好的求解非连续介质力学的离散元数值模拟软件，但是PFC2D内置的FISH语言难以进行复杂的概率分布函数编辑，不能满足生成复杂随机节理的需求，由于以上存在的问题，针对性地推出了一种基于离散元的裂隙岩体建模方法。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种具备快速生成符合复杂概率分布的节理裂隙的基于离散元的裂隙岩体建模方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于离散元的裂隙岩体建模方法，其特征在于：所述基于离散元的裂隙岩体建模方法包括以下步骤：

a)根据实际工程地质勘测结果，统计并获取工程岩体节理裂隙分布的密度和岩体节理裂隙分布的产状；

b)利用PFC2D在所需范围内生成离散颗粒，建立离散元颗粒模型；

c)利用MATLAB软件直接生成编写程序的功能，利用Monto-Carlo方法生成随机数，根据步骤a)所得到的工程岩体节理裂隙分布的密度和岩体节理裂隙分布的产状，选择合适的概率分布函数，构建含有岩体节理裂隙分布的密度和岩体节理裂隙分布的产状的模型；

d)通过MATLAB循环语句将步骤c)获取得到的含有岩体节理裂隙分布的密度和岩体节理裂隙分布的产状的模型按照PFC2D内置的FISH语言格式生成字符串语句，并将该字符串语句写入特定的txt文件；

e)将所述步骤d)中特定的txt文件导入PFC2D中，回调所述步骤b)中建立的离散元颗粒模型，运行步骤d)中所生成的特定的txt文件，并在PFC2D中完成对离散裂隙网络的建立；

f)通过PFC2D内置的DFN子程序更新节理接触的属性，建立含节理裂隙的离散元颗粒模型。

作为优选，本发明所采用的步骤a)的具体实现方式是：通过对工程现场进行分区钻孔勘测和无人机摄影与图像识别技术，对岩体节理裂隙进行数理统计，统计岩体节理裂隙分布的密度和岩体节理裂隙分布的产状，所述岩体节理裂隙分布的产状包括节理倾角和节理迹长。

作为优选，本发明所采用的步骤b)的具体实现方式是：利用PFC2D软件内置的FISH语言编写程序，选择合适的颗粒尺寸，在设定的范围内按照一定的孔隙率随机生成颗粒，建立离散元颗粒模型，同时根据岩石宏观力学参数，选取合适的接触模型，再对PFC2D中细观力学参数进行标定，使所述离散元颗粒模型的力学性质与岩石宏观力学性质相匹配，并保存模型。

作为优选，本发明所采用的步骤c)的具体实现方式是：利用MATLAB软件直接生成编写程序的功能，利用Monto-Carlo方法生成随机数，选取合适的概率分布函数，根据工程现场统计的岩体节理裂隙分布的密度，创建包含岩体节理裂隙的中心点位置、节理倾角以及节理迹长的数组，并利用MATLAB内置的PLOT显示函数，用不同颜色的线段显示所生成的节理裂隙。

作为优选，本发明所采用的步骤c)中的概率分布函数是均匀分布函数、正态分布函数、对数正态分布函数或weibull分布函数。

作为优选，本发明所采用的步骤d)的具体实现方式是：利用MATLAB软件编写程序，利用循环语句依次提取数组中的节理裂隙中心点坐标、节理倾角和节理迹长数据，将提取的数据按照PFC2D内置的FISH语言格式生成创建离散裂隙网络(DFN)的字符串语句，创建一个新的txt文件，并将生成的字符串语句写入该txt文件中。

作为优选，本发明所采用的步骤e)的具体实现方式是：将所述步骤d)中的txt文件导入PFC2D中，回调所述步骤b)中建立的离散元颗粒模型，运行所述步骤d)生成的特定中的txt文件，获取运行结果，所述运行结果是随机节理裂隙，在离散元颗粒模型中添加随机节理裂隙，并在PFC2D中完成对离散裂隙网络(DFN)的建立。

作为优选，本发明所采用的步骤f)的具体实现方式是：通过PFC2D内置的DFN子程序，把添加的离散裂隙网络(DFN)进行接触更新，把离散裂隙网络(DFN)触碰到的接触的接触模型都更新为光滑节理模型，根据岩石节理宏观力学参数，对接触模型为光滑节理模型的接触进行参数标定，完成对含节理裂隙的离散元颗粒模型的建立。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明提供了一种基于离散元的裂隙岩体建模方法，基于离散元软件PFC2D建立离散元颗粒模型，利用MATLAB在数值计算方面的优势，可以更加方便地生成随机数和编辑概率分布函数，用户可以自由选择不同的概率分布函数对节理裂隙中的中心点位置、倾角和迹长进行表征，并通过txt文本，实现了将MATLAB中生成的节理裂隙产状信息导入PFC2D，重构了岩体的随机节理裂隙模型，为后续的裂隙岩体物理力学特性研究和裂隙岩体渗流特性研究创造条件，解决了PFC2D内置的FISH语言难以进行复杂的概率分布函数编辑，不能满足生成复杂随机节理的需求的问题。

附图说明

图1是本发明所提供的基于离散元的裂隙岩体建模方法的流程图；

图2是在MATLAB中创建的GUI操作界面示意图；

图3是MATLAB中生成的节理裂隙图；

图4是PFC2D中生成的离散裂隙网络图；

图5是离散元裂隙岩体模型图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图5所示，本发明提供了一种基于离散元的裂隙岩体建模方法，该方法包括以下步骤：

a)通过对工程现场进行分区钻孔勘测和无人机摄影与图像识别技术，对岩体节理裂隙进行数理统计，统计岩体节理裂隙信息，该岩体节理裂隙信息包括岩体节理裂隙分布的密度和岩体节理裂隙分布的产状，节理裂隙分布的产状包括节理倾角和节理迹长。

b)利用PFC2D软件内置的FISH语言编写程序，选择合适的颗粒尺寸，在设定的范围内按照一定的孔隙率随机生成颗粒，建立离散元颗粒模型，根据岩石宏观力学参数(岩石宏观力学参数，大多是指岩石的抗拉强度，单轴抗压强度，弹性模量，泊松比，黏聚力和摩擦角，这些参数可以通过巴西劈裂试验，单轴压缩试验和三轴压缩试验得到)，选取合适的接触模型，再对PFC2D中细观力学参数(细观力学参数代表一个岩石试样的力学参数，细观力学参数是pfc软件中输入的岩石力学参数，这些参数输入之后，代入到颗粒之间的接触模型中进行计算)进行标定，使离散元颗粒模型的力学性质与岩石宏观力学性质相匹配(匹配的条件是，当输入的细观参数代入到接触模型中计算之后，pfc软件得到的数值结果，数值计算得到的岩石的力学参数与实际的岩石试样的力学参数相吻合)，并保存模型；

c)利用MATLAB软件编写程序，利用Monto-Carlo方法生成随机数，在MATLAB中创建GUI操作界面(如图2所示)，在GUI操作界面中选取合适的概率分布函数(均匀分布、正态分布、对数正态分布或weibull分布)，根据工程现场统计的岩体节理裂隙信息，在GUI操作界面中输入岩体节理裂隙信息(包括节理裂隙分布的密度、岩体域长、岩体域宽、节理倾角和节理迹长)，创建包含岩体节理裂隙中心点坐标、节理倾角和节理迹长信息的数组，数组就是相当于创建一个n行3列的矩阵，每一列的信息分别是中心点坐标、倾角以及迹长信息；n行就是一共有多少条节理就有多少行；每生成一条节理，其中心点坐标、倾角以及迹长信息就会分别保存在这一行的3列中。并利用MATLAB内置的PLOT显示函数，用不同颜色的线段显示所生成的节理裂隙(如图3所示)。节理生成的原理是：先确定的中心点位置分布，然后基于每个中心点位置按照一定的倾角，进行迹长的延申，进而形成一条节理。而中心的位置是根据所选的分布函数，在确定的范围内随机生成的，它决定每条节理的位置。

d)利用MATLAB软件编写程序，在步骤c)中的GUI操作界面中输入节理信息写入地址，利用循环语句依次提取数组中的节理裂隙中心点坐标、节理倾角和节理迹长信息，将提取的数据按照PFC2D内置的FISH语言格式生成创建离散裂隙网络(DFN)的字符串语句，创建一个新的txt文件，并将生成的字符串语句写入该txt文件中；

e)将步骤d)中的txt文件导入PFC2D中，回调步骤b)中保存的模型，运行步骤d)中的txt文件，在模型中添加随机节理裂隙，并在PFC2D中完成对离散裂隙网络(DFN)的建立(如图4所示)；

f)通过PFC2D内置的DFN子程序，把添加的离散裂隙网络(DFN)进行接触更新，把离散裂隙网络(DFN)触碰到的接触模型都更新为光滑节理模型，根据岩石节理宏观力学参数，对接触模型为光滑节理模型的接触进行参数标定，完成对含节理裂隙的离散元颗粒模型的建立(如图5所示)。

离散元数值模拟软件PFC2D内置的FISH语言难以进行复杂的概率分布函数编辑，不能满足生成复杂随机节理的需求，本发明的目的在于提供一种基于离散元的裂隙岩体建模方法，具备快速生成符合复杂概率分布的节理裂隙的优点，基于离散元软件PFC2D建立离散元颗粒模型，利用MATLAB在数值计算方面的优势，可以更加方便地生成随机数和编辑概率分布函数，用户可以自由选择不同的概率分布函数对节理裂隙中的中心点位置、倾角和迹长进行表征，并通过txt文本，将MATLAB中生成的节理裂隙产状信息导入PFC2D，重构了岩体的随机节理裂隙模型，为后续的裂隙岩体物理力学特性研究和裂隙岩体渗流特性研究创造条件。

尽管已经描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于离散元的裂隙岩体建模方法，其特征在于：所述基于离散元的裂隙岩体建模方法包括以下步骤：

a）根据实际工程地质勘测结果，统计并获取工程岩体节理裂隙分布的密度和岩体节理裂隙分布的产状；

b）利用PFC2D在所需范围内生成离散颗粒，建立离散元颗粒模型；

c）利用MATLAB软件直接生成编写程序的功能，利用Monto-Carlo方法生成随机数，根据步骤a）所得到的工程岩体节理裂隙分布的密度和岩体节理裂隙分布的产状，选择合适的概率分布函数，构建含有岩体节理裂隙分布的密度和岩体节理裂隙分布的产状的模型；

d）通过MATLAB循环语句将步骤c）获取得到的含有岩体节理裂隙分布的密度和岩体节理裂隙分布的产状的模型按照PFC2D内置的FISH语言格式生成字符串语句，并将该字符串语句写入特定的txt文件；

e）将所述步骤d）中特定的txt文件导入PFC2D中，回调所述步骤b）中建立的离散元颗粒模型，运行步骤d）中所生成的特定的txt文件，并在PFC2D中完成对离散裂隙网络的建立；

f）通过PFC2D内置的DFN子程序更新节理接触的属性，建立含节理裂隙的离散元颗粒模型。

2.根据权利要求1所述的基于离散元的裂隙岩体建模方法，其特征在于：所述步骤a）的具体实现方式是：通过对工程现场进行分区钻孔勘测和无人机摄影与图像识别技术，对岩体节理裂隙进行数理统计，统计岩体节理裂隙分布的密度和岩体节理裂隙分布的产状，所述岩体节理裂隙分布的产状包括节理倾角和节理迹长。

3.根据权利要求2所述的基于离散元的裂隙岩体建模方法，其特征在于：所述步骤b）的具体实现方式是：利用PFC2D软件内置的FISH语言编写程序，选择合适的颗粒尺寸，在设定的范围内按照一定的孔隙率随机生成颗粒，建立离散元颗粒模型，同时根据岩石宏观力学参数，选取合适的接触模型，再对PFC2D中细观力学参数进行标定，使所述离散元颗粒模型的力学性质与岩石宏观力学性质相匹配，并保存模型。

4.根据权利要求3所述的基于离散元的裂隙岩体建模方法，其特征在于：所述步骤c）的具体实现方式是：利用MATLAB软件直接生成编写程序的功能，利用Monto-Carlo方法生成随机数，选取合适的概率分布函数，根据工程现场统计的岩体节理裂隙分布的密度，创建包含岩体节理裂隙的中心点位置、节理倾角以及节理迹长的数组，并利用MATLAB内置的PLOT显示函数，用不同颜色的线段显示所生成的节理裂隙。

5.根据权利要求4所述的基于离散元的裂隙岩体建模方法，其特征在于：所述步骤c）中的概率分布函数是均匀分布函数、正态分布函数、对数正态分布函数或weibull分布函数。

6.根据权利要求5所述的基于离散元的裂隙岩体建模方法，其特征在于：所述步骤d）的具体实现方式是：利用MATLAB软件直接生成编写程序的功能，利用循环语句依次提取数组中的节理裂隙中心点坐标、节理倾角和节理迹长数据，将提取的数据按照PFC2D内置的FISH语言格式生成创建离散裂隙网络的字符串语句，创建一个新的txt文件，并将生成的字符串语句写入该txt文件中。

7.根据权利要求6所述的基于离散元的裂隙岩体建模方法，其特征在于：所述步骤e）的具体实现方式是：将所述步骤d）中的txt文件导入PFC2D中，回调所述步骤b）中建立的离散元颗粒模型，运行所述步骤d）生成的特定中的txt文件，获取运行结果，所述运行结果是随机节理裂隙，在离散元颗粒模型中添加随机节理裂隙，并在PFC2D中完成对离散裂隙网络的建立。

8.根据权利要求7所述的基于离散元的裂隙岩体建模方法，其特征在于：所述步骤f）的具体实现方式是：通过PFC2D内置的DFN子程序，把添加的离散裂隙网络进行接触更新，把离散裂隙网络触碰到颗粒的接触模型都更新为光滑节理模型，根据岩石节理宏观力学参数，对接触模型为光滑节理模型的接触进行参数标定，完成对含节理裂隙的离散元颗粒模型的建立。

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