CN112949065A - 模拟层状岩体力学行为的双尺度方法、装置、存储介质及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种模拟层状岩体力学行为的双尺度方法、装置、存储介质及设备，属于岩土力学技术领域。该方法包括：获取模拟岩石工程结构的几何模型；将模拟岩石工程结构的几何模型中，层面之间间距为米级尺度的层面显式地纳入计算模型，得到非连续变形分析方法中的块体***；针对非连续变形分析方法中的每一个体，采用COSSERAT层状模型以宏观等效的方式进行隐式模拟其内部包含的厘米级尺度的层面；在非连续变形分析框架下进行求解分析，获得模拟层状岩体力学行为参数，其中，模拟层状岩体力学行为参数包括位移、应变和应力。该装置、存储介质及设备能够用于实现该方法。其能够实现对层状岩体更为精确和高效的模拟。
Description
技术领域
本发明涉及岩土力学技术领域，特别是涉及模拟层状岩体力学行为的双尺度方法、装置、存储介质及设备。
背景技术
沉积岩在地壳浅表部广泛分布，其重要特征是发育有一组平行或***行、延伸性好、产状稳定且间距不等的层面，从而形成特定的层状岩体结构。层面导致层状岩体的变形和强度特征呈现显著的各向异性，而且是影响工程结构变形和稳定性的控制性因素。层状结构岩体按层面的间距也即层厚划分为薄层(<10cm)、互层(30～10cm)、中厚层(50～30cm)、厚层(100～50cm)以及巨厚层(>100cm)；其中，薄层和互层岩体出露部位往往是工程重点关注的薄弱环节。数值模拟是对工程结构稳定性进行量化评价不可或缺的重要手段，尽管近年来随着计算机软硬件水平的飞速提升，数值方法随之得到了快速发展并取得了长足的进步；然而，对于层状岩体中广泛发育的、间距为厘米级的层面进行有效的力学模拟依然未能得到很好的解决，层状岩体的力学行为至今仍是研究的热点问题。
然而，由于层面间距尺度与工程结构特征尺寸的客观差异，且受限于计算规模和求解效率，无论是基于连续介质力学分析方法，亦或是离散介质力学分析方法，都难以做到真实地模拟层状岩体中实际存在的每一条层面。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种模拟层状岩体力学行为的双尺度方法、装置、存储介质及设备，其以非连续变形分析方法和COSSERAT理论为依据，建立连续-非连续耦合的双尺度模型，能够实现对层状岩体更为精确和高效的模拟，从而更加适于实用。
为了达到上述第一个目的，本发明提供的模拟层状岩体力学行为的双尺度方法的技术方案如下：
本发明提供的模拟层状岩体力学行为的双尺度方法包括以下步骤：
获取模拟岩石工程结构的几何模型；
将所述模拟岩石工程结构的几何模型中，层面之间间距为米级尺度的层面显式地纳入计算模型，得到非连续变形分析方法中的块体***，其中，所述显示地纳入计算机模型的层面之间间距为米级尺度的层面构成所述非连续变形分析方法中的块体间的接触边界；
针对所述非连续变形分析方法中的每一个体，采用COSSERAT层状模型以宏观等效的方式进行隐式模拟其内部包含的厘米级尺度的层面；
在非连续变形分析框架下进行求解分析，获得模拟层状岩体力学行为参数，其中，所述模拟层状岩体力学行为参数包括位移、应变和应力。
本发明提供的模拟层状岩体力学行为的双尺度方法还可采用以下技术措施进一步实现。
作为优选，所述针对所述非连续变形分析方法中的每一个体，采用COSSERAT层状模型以宏观等效的方式进行隐式模拟其内部包含的厘米级尺度的层面的步骤过程中，层状岩体需要满足的条件包括：
层状岩体视为由完整岩石层和分割岩层的层面周期性重复所形成的复合结构体；
岩石层为均质和各向同性；
层面平直且平行发育，并具有相同的力学特性；
层面间距相等且只有一组层面；
变形与曲率都是无限小；
对于二维问题，按平面应变问题考虑。
作为优选，所述针对所述非连续变形分析方法中的每一个体，采用COSSERAT层状模型以宏观等效的方式进行隐式模拟其内部包含的厘米级尺度的层面具体包括以下步骤：
令x′轴与层面方向一致，y′轴垂直于层面向上，设平动位移分别为u、v，ωc为转动位移，则在整体坐标系下的应变及曲率κx为
通常情况下
由此可知εxy≠εyx；
考虑微元体力与力偶平衡，有平衡方程如下
上式中fx,fy,m,mx分别为体积力与体积力偶，其中，此处认为沿层面方向材料是均匀的，所以my消失，平衡式中只有mx存在；
边界条件可表示为：
σxnx+σyxny＝Px (3a)
σxynx+σyny＝Py (3b)
mxnx+myny＝M (3c)
上式中Px、Py、M分别为已知边界上面力及面力偶，nx、ny为边界外法线单位向量分量，本构方程表示为
σx＝A11ε′x+A12ε′y (4a)
σy＝A21ε′x+A22ε′y (4b)
σyx＝C11ε′yx+C12ε′xy (4c)
σxy＝C21ε′yx+C22ε′xy (4d)
mx＝Bκx′ (4e)
上式中ε′x、ε′y、ε′yx、ε′xy、κx′分别为局部坐标系下的应变及曲率；
整体坐标系下(其中，整体坐标系等同与大地坐标系)的弹性矩阵D，可由局部坐标系下弹性矩阵D*求得
D＝CTD*C (5)
上式中
而C为转换矩阵；
对于层状材料，式(6)中的弹性常数分别为
对于层状材料剪应力与剪应变之间、偶应力与曲率之间的关系为
C22＝C11+G (8c)
上式中，G为岩层剪切模量，kn为层面的法向刚度，ks为层面的剪切刚度，b为层面间距，B为抗弯刚度。
作为优选，所述将所述模拟岩石工程结构的几何模型中，层面之间间距为米级尺度的层面显式地纳入计算模型，得到非连续变形分析方法中的块体***，其中，所述显示地纳入计算机模型的层面之间间距为米级尺度的层面构成所述非连续变形分析方法中的块体间的接触边界的步骤过程中，还包括对传统非连续变形分析方法中的块体的变量(u,v)T进行扩充以包括转动位移wc的步骤。
作为优选，在所述非连续变形分析方法中，耦合分析模型中，非连续变形分析块体内任一点(x,y)的位移(u,v,wc)T，其中，所述转动位移wc不参与计算，所述非连续变形分析方法与传统非连续变形分析方法相同。
为了达到上述第二个目的，本发明提供的模拟层状岩体力学行为的双尺度装置的技术方案如下：
本发明提供的模拟层状岩体力学行为的双尺度装置包括，
几何模型获取模块，用于获取模拟岩石工程结构的几何模型；
非连续变形分析方法中的块体***构建模块，用于将所述模拟岩石工程结构的几何模型中，层面之间间距为米级尺度的层面显式地纳入计算模型，得到非连续变形分析方法中的块体***，其中，所述显示地纳入计算机模型的层面之间间距为米级尺度的层面构成所述非连续变形分析方法中的块体间的接触边界；
COSSERAT模拟模块，用于针对所述非连续变形分析方法中的每一个体，采用COSSERAT层状模型以宏观等效的方式进行隐式模拟其内部包含的厘米级尺度的层面；
力学行为参数求解分析模块，用于在非连续变形分析框架下进行求解分析，获得模拟层状岩体力学行为参数，其中，所述模拟层状岩体力学行为参数包括位移、应变和应力。
为了达到上述第三个目的，本发明提供的计算机可读存储介质的技术方案如下：
本发明提供的计算机可读存储介质上存储有模拟层状岩体力学行为的双尺度方法的控制程序，所述模拟层状岩体力学行为的双尺度方法的控制程序在被处理器执行时，实现权利要求1-5中任一所述的模拟层状岩体力学行为的双尺度方法的步骤。
为了达到上述第四个目的，本发明提供的电子设备的技术方案如下：
本发明提供的电子设备包括存储器和处理器，所述存储器上存储有模拟层状岩体力学行为的双尺度方法的控制程序，所述模拟层状岩体力学行为的双尺度方法的控制程序在被处理器执行时，实现权利要求1-5中任一所述的模拟层状岩体力学行为的双尺度方法的步骤。
本发明以非连续变形分析方法为主体程序架构，充分发挥其“显式”模拟层面非连续大变形接触力学行为的优势，将部分层面以“显式”的方式纳入计算模型，这些“显式”纳入计算模型的层面切割岩体形成的厚度为m级；m间距的层面切割计算模型生成非连续变形分析方法(DDA)块体，形成层状结构岩体的基本架构；对于厚度为m级的DDA块体，其中含有大量cm级间距的层面，则采用COSSERAT层状介质模型进行宏观等效模拟；这样建立连续-非连续耦合的双尺度模型，可以实现对层状结构岩体更为精确和高效的模拟。本发明能够充分反映层面对于层状结构岩体变形和强度两个方面的影响，从而充分反映层面对工程岩体变形和稳定的控制效应；同时，又有效地避免将所有的层面纳入计算模型，兼顾的计算效率和求解精度。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1a所示为作为简化示意的理想化的层状岩体示意图，其中的层面间距为厘米级；
图1b为不含层面的完整岩石示意图；
图1c为可用于DDA分析的非连续块体模型示意图；
图1d为基于连续-非连续耦合的双尺度模型示意图；
图2为局部坐标系下层状岩体微量元素模型示意图；
图3为局部坐标系与大地坐标系的关系示意图；
图4为本发明实施例提供的模拟层状岩体力学行为的双尺度电子设备的硬件环境示意图；
图5为本发明实施例提供的模拟层状岩体力学行为的双尺度方法的步骤流程图；
图6为本发明实施例提供的模拟层状岩体力学行为的双尺度装置中各功能模块之间的信号流向关系示意图。
具体实施方式
有鉴于此，本发明提供了一种模拟层状岩体力学行为的双尺度方法、装置、存储介质及设备，其以离散单元法和非连续变形分析、在连续介质力学框架下开展的COSSERAT理论为依据，建立连续-非连续耦合的双尺度模型，能够实现对层状岩体更为精确和高效的模拟，从而更加适于实用。
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种模拟层状岩体力学行为的双尺度方法、装置、存储介质及设备，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，具体的理解为：可以同时包含有A与B，可以单独存在A，也可以单独存在B，能够具备上述三种任一种情况。
在对层状结构岩体进行力学分析时，对于层面的模拟有“隐式”(implicitmethod)和“显式”(explicit method)两种处理方式。“隐式”的处理方式即层面在计算模型中不以几何实体的方式直接出现，其力学效应则通过对岩体的本构模型进行必要的修改来体现，得到所谓宏观等效力学模型。1977年Zienkiewicz等人提出并得到广泛应用的遍布节理模型即属于此类。遍布节理模型的本质是在判断单元是否发生塑性屈服时，增加了沿特定产状层面的屈服条件；也即考虑了层面对岩体强度特性的影响，但并没有考虑层面对岩体变形特性的影响。基于均匀化方法建立的考虑单向、双向正交节理以及斜交节理岩体复合本构关系，均没有考虑岩层自身抵抗弯曲变形(或破坏)的能力，尤其无法真实地体现高应力梯度时，层状岩体的弯曲变形情况。
建立层状岩体宏观等效力学模型的另一种有效途径是采用COSSERAT理论，COSSERAT单元体具有特征尺度，可以考虑层状岩体具有宏观构造的影响；因此，对于层状岩体内蕴结构特性的力学模拟具有理论上的优越性。Bogan从数学上证明了COSSERAT模型的可行性。Adhikary等人考察了层状边坡的屈曲变形及层状岩体地下开挖的变形并与节理单元模拟方法进行了对比。Mtihlhaus在将COSSERAT理论应用于岩土工程方面开展了较为***的研究工作。Azadeh.R.D应用COSSERAT理论在有限元架构下对层状岩体的三维模拟开展了研究工作。国内陈胜宏等首先运用约束COSSERAT理论考察了偶应力对节理岩体应力的影响；葛修润等采用约束转动COSSERAT介质理论建立了双组斜交节理体模型；佘成学等对反倾向岩层的屈曲倾倒破坏进行了理论与实验研究；刘俊等研究了偶应力理论及其在层状岩体中的应用。总体来看，COSSERAT层状力学模型相对于遍布节理模型而言，其优势在于可以同时考虑层面对于岩体变形特性和强度特性的影响，并且在模拟层状岩体的弯曲方面具有显著的优势。
以“显式”的方式模拟层面时，层面作为真实的几何实体在计算模型中直接出现；有限单元法中的Goodman单元、Desai薄层单元和Katona的接触-摩擦界面单元等均属于为模拟此类力学间断面而引进的特殊单元。然而，囿于连续介质力学自身的局限，模拟大量的力学间断面较为困难，以离散单元法(DEM)和非连续变形分析(DDA)为代表的离散介质力学分析方法则具有天然的优势。在离散单元法或DDA中，“显式”存在的层面则作为切割形成岩体块体***的结构面出现并构成离散块体之间的边界。然而，由于接触力学固有的困难和计算量巨大导致在实际工程计算中也难以实现在计算模型中纳入成组发育、密集分布的层面。显然，对于数量众多、间距为厘米级的层面而言，“显式”的模拟方式无论是在FEM框架下还是在DEM或是DDA计算框架下，虽非不现实，但至少是不经济的。
综合上述研究成果可以看到，由于层面间距尺度与工程结构特征尺寸的客观差异，且受限于计算规模和求解效率，无论是基于连续介质力学分析方法，亦或是离散介质力学分析方法，都难以做到真实地模拟层状岩体中实际存在的每一条层面。因此，就层状岩体中工程结构的力学计算而言，采用宏观等效力学模型是目前不可或缺的一种有效途径。COSSERAT层状模型相对于遍布节理模型而言具有明显的优势。然而，目前关于COSSERAT模拟层状岩体方面的研究工作均是在连续介质力学的框架下开展；囿于连续介质力学固有的局限性，无法真实的模拟层面的张开、滑移等非连续大变形特征。因此，、利用DDA方法和COSSERAT理论的优势，考虑以m级间距的层面切割计算模型，形成层状岩体的基本架构；对于层面之间厚度为m级的岩层(含有cm级的层面)，则采用COSSERAT层状介质模型进行宏观等效模拟；这样在非连续变形分析的框架下实现COSSERAT层状力学模型，建立连续-非连续耦合的双尺度模型，从而可以实现对层状岩体更为精确和高效的模拟。
模拟层状岩体力学行为的双尺度方法实施例
本发明提供的模拟层状岩体力学行为的双尺度方法包括以下步骤：
(1)首先在不考虑层面的条件下直接建立模拟岩石工程结构的几何模型；
(2)采用块体切割方法(Block Cutting)将部分层面“显式”地纳入计算模型，这部分层面之间的间距为m级尺度；这样初步形成非连续变形分析(DDA)方法中的块体***；纳入的层面构成了DDA块体间的接触边界；
(3)对于上述生成的每一个DDA块体，采用COSSERAT层状模型以宏观等效的方式进行“隐式”模拟其内部包含的cm级尺度的层面。
采用COSSERAT理论建立层状岩体的宏观等效力学模型时，一般认为层状岩体满足下列基本假定：①层状岩体视为由完整岩石层和分割岩层的层面周期性重复所形成的复合结构体；②岩石层为均质和各向同性；③层面平直且平行发育，并具有相同的力学特性；④层面间距相等且只有一组层面；⑤变形与曲率都是无限小(即小变形问题)；对于二维问题，按平面应变问题考虑。
令x′轴与层面方向一致，y′轴垂直于层面向上，COSSERAT层状介质微元体如图2所示。对于图2示的微元体，设平动位移分别为u、v，ωc为转动位移，则在整体坐标系下的应变及曲率κx为
通常情况下
由此可知εxy≠εyx，即应变张量不对称。
考虑微元体力与力偶平衡，有平衡方程如下
上式中fx,fy,m,mx分别为体积力与体积力偶。因为此处认为沿层面方向材料是均匀的，所以my消失了，平衡式中只有mx存在。
边界条件可表示为：
σxnx+σyxny＝Px (3a)
σxynx+σyny＝Py (3b)
mxnx+myny＝M (3c)
上式中Px、Py、M分别为已知边界上面力及面力偶，nx、ny为边界外法线单位向量分量。本构方程可表示为
σx＝A11ε′x+A12ε′y (4a)
σy＝A21ε′x+A22ε′y (4b)
σyx＝C11ε′yx+C12ε′xy (4c)
σxy＝C21ε′yx+C22ε′xy (4d)
mx＝Bκx′ (4e)
上式中ε′x、ε′y、ε′yx、ε′xy、κx′分别为局部坐标系下的应变及曲率。
整体坐标系下(大地坐标系下)的弹性矩阵D，可由局部坐标系下弹性矩阵D*求得
D＝CTD*C (5)
上式中
而C为转换矩阵，局部坐标系与整体坐标系的关系见图3。
对于层状材料，式(6)中的弹性常数与传统连续介质方法一样，分别为
Adhikary认为对于层状材料剪应力与剪应变之间、偶应力与曲率之间的关系为
C22＝C11+G (8c)
上式中，G为岩层剪切模量，kn为层面的法向刚度，ks为层面的剪切刚度，b为层面间距，B为抗弯刚度。
为了能够在DDA实现COSSERAT层状模型，需要将DDA块体的变量(u,v)T进行扩充以包括转动位移wc。简洁起见，在块体的位移函数为一阶完备的多项式的情况下进行推导。以下以平面应变问题为例进行说明。DDA块体内任一点(x,y)的位移(u,v,wc)T的表达式如下：
则位移转换矩阵T如下式所示
广义应力和广义应变分别为
[σ]＝[σ11 σ22 σ12 σ21 m1 m2]T (11a)
[ε]＝[ε11 ε22 ε12 ε21 κ1 κ2]T (12b)
单元平面应力[σ]的表达式如下
[σ]＝[E][ε] (13)
[E]在局部坐标系下的弹性矩阵，表达式如下
其中，
C22＝C11+G (16c)
上式中，G为岩层剪切模量，kn为层面的法向刚度，ks为层面的剪切刚度，b为层面间距，B为抗弯刚度。由于一般假定沿层面方向材料是均匀的，所以B1＝B，B2＝0。
记β为岩层的倾角(整体坐标系X轴正向逆时针方向度量，图3所示)，c＝cosβ，s＝sinβ，则得到由局部坐标向整体坐标转换的方向矩阵如下
得到整体坐标系下的弹性矩阵如下
[E*]＝[C]T[E][C] (18)
其中，E*的上三角部分的非零元素项如下
单元应变矩阵的表达式如下
记
[ε]＝[B][d] (21)
[σ]＝[E*][B][d] (22)
其中，
则块体弹性应变能Πe的表达式如下
上式积分块体单元内进行，t为厚度。单元i的弹性应变能计算公式如下
这样，通过对单元应变能Πe求导就可以得到三角形单元的刚度矩阵kii如下
[Kii]为一9×9矩阵，将[Kii]叠加到***总体刚度矩阵[K]中则可反映块体i的弹性应变能对***势能泛函的贡献。[Kii]中积分部分的解析表达式推导如下记
结果矩阵为[K]，[K]矩阵中的非零元素如下
可见，
可以解析的给出。
对于惯性矩阵和接触计算相关的矩阵，可以看到，因为位移变量中的转动位移wc不参与计算；因此，这些核心子矩阵的计算与组装流程与常规DDA中相同，这里不再赘述。
(4)在DDA框架下进行求解分析，获得位移、应变和应力等。
本发明以非连续变形分析方法为主体程序架构，充分发挥其“显式”模拟层面非连续大变形接触力学行为的优势，将部分层面以“显式”的方式纳入计算模型，这些“显式”纳入计算模型的层面切割岩体形成的厚度为m级；m间距的层面切割计算模型生成DDA块体，形成层状结构岩体的基本架构；对于厚度为m级的DDA块体(其中含有大量cm级间距的层面)，则采用COSSERAT层状介质模型进行宏观等效模拟；这样建立连续-非连续耦合的双尺度模型，可以实现对层状结构岩体更为精确和高效的模拟。本发明能够充分反映层面对于层状结构岩体变形和强度两个方面的影响，从而充分反映层面对工程岩体变形和稳定的控制效应；同时，又有效地避免将所有的层面纳入计算模型，兼顾的计算效率和求解精度。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
模拟层状岩体力学行为的双尺度装置实施例
本发明提供的模拟层状岩体力学行为的双尺度装置包括，
几何模型获取模块，用于获取模拟岩石工程结构的几何模型；
非连续变形分析方法中的块体***构建模块，用于将所述模拟岩石工程结构的几何模型中，层面之间间距为米级尺度的层面显式地纳入计算模型，得到非连续变形分析方法中的块体***，其中，所述显示地纳入计算机模型的层面之间间距为米级尺度的层面构成所述非连续变形分析方法中的块体间的接触边界；
COSSERAT模拟模块，用于针对所述非连续变形分析方法中的每一个体，采用COSSERAT层状模型以宏观等效的方式进行隐式模拟其内部包含的厘米级尺度的层面；
力学行为参数求解分析模块，用于在非连续变形分析框架下进行求解分析，获得模拟层状岩体力学行为参数，其中，所述模拟层状岩体力学行为参数包括位移、应变和应力。
计算机可读存储介质实施例
本发明提供的计算机可读存储介质上存储有模拟层状岩体力学行为的双尺度方法的控制程序，所述模拟层状岩体力学行为的双尺度方法的控制程序在被处理器执行时，实现本发明提供的模拟层状岩体力学行为的双尺度方法的步骤。
电子设备实施例
本发明提供的电子设备包括存储器和处理器，所述存储器上存储有模拟层状岩体力学行为的双尺度方法的控制程序，所述模拟层状岩体力学行为的双尺度方法的控制程序在被处理器执行时，实现本发明提供的模拟层状岩体力学行为的双尺度方法的步骤。
其中，参照图4，图4为本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的模拟层状岩体力学行为的双尺度设备结构示意图。
如图4所示，该模拟层状岩体力学行为的双尺度设备可以包括：处理器1001，例如中央处理器Central Processing Unit，CPU，通信总线1002、用户接口1003，网络接口1004，存储器1005。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示屏Display、输入单元比如键盘Keyboard，可选用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口如无线保真WIreless-FIdelity，WI-FI接口。存储器1005可以是高速的随机存取存储器Random AccessMemory，RAM存储器，也可以是稳定的非易失性存储器Non-Volatile Memory，NVM，例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。
本领域技术人员可以理解，图4中示出的结构并不构成对模拟层状岩体力学行为的双尺度设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
如图4所示，作为一种存储介质的存储器1005中可以包括操作***、数据存储模块、网络通信模块、用户接口模块以及模拟层状岩体力学行为的双尺度方法的运行程序。
在图4所示的模拟层状岩体力学行为的双尺度设备中，网络接口1004主要用于与网络服务器进行数据通信；用户接口1003主要用于与用户进行数据交互；本发明模拟层状岩体力学行为的双尺度设备中的处理器1001、存储器1005可以设置在模拟层状岩体力学行为的双尺度设备中，模拟层状岩体力学行为的双尺度设备通过处理器1001调用存储器1005中存储的模拟层状岩体力学行为的双尺度方法的运行程序，并执行本发明实施例提供的模拟层状岩体力学行为的双尺度方法。
其中，本申请中，物理量的单位均为国际单位，除特殊说明外，其余物理量的符号均为国际通用符号。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种模拟层状岩体力学行为的双尺度方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取模拟岩石工程结构的几何模型；
将所述模拟岩石工程结构的几何模型中，层面之间间距为米级尺度的层面显式地纳入计算模型，得到非连续变形分析方法中的块体***，其中，所述显示地纳入计算机模型的层面之间间距为米级尺度的层面构成所述非连续变形分析方法中的块体间的接触边界；
针对所述非连续变形分析方法中的每一个体，采用COSSERAT层状模型以宏观等效的方式进行隐式模拟其内部包含的厘米级尺度的层面；
在非连续变形分析框架下进行求解分析，获得模拟层状岩体力学行为参数，其中，所述模拟层状岩体力学行为参数包括位移、应变和应力。
2.根据权利要求1所述的模拟层状岩体力学行为的双尺度方法，其特征在于，所述针对所述非连续变形分析方法中的每一个体，采用COSSERAT层状模型以宏观等效的方式进行隐式模拟其内部包含的厘米级尺度的层面的步骤过程中，层状岩体需要满足的条件包括：
层状岩体视为由完整岩石层和分割岩层的层面周期性重复所形成的复合结构体；
岩石层为均质和各向同性；
层面平直且平行发育，并具有相同的力学特性；
层面间距相等且只有一组层面；
变形与曲率都是无限小；
对于二维问题，按平面应变问题考虑。
3.根据权利要求1所述的模拟层状岩体力学行为的双尺度方法，其特征在于，所述针对所述非连续变形分析方法中的每一个体，采用COSSERAT层状模型以宏观等效的方式进行隐式模拟其内部包含的厘米级尺度的层面具体包括以下步骤：
令x′轴与层面方向一致，y′轴垂直于层面向上，设平动位移分别为u、v，ωc为转动位移，则在整体坐标系下的应变及曲率κx为
通常情况下
由此可知εxy≠εyx；
考虑微元体力与力偶平衡，有平衡方程如下
上式中fx,fy,m,mx分别为体积力与体积力偶，其中，此处认为沿层面方向材料是均匀的，所以my消失，平衡式中只有mx存在；
边界条件可表示为：
σxnx+σyxny＝Px (3a)
σxynx+σyny＝Py (3b)
mxnx+myny＝M (3c)
上式中Px、Py、M分别为已知边界上面力及面力偶，nx、ny为边界外法线单位向量分量，本构方程表示为
σx＝A11εx′+A12εy′ (4a)
σy＝A21εx′+A22εy′ (4b)
σyx＝C11εy′x+C12εx′y (4c)
σxy＝C21εy′x+C22εx′y (4d)
mx＝Bκx′ (4e)
上式中εx′、εy′、εy′x、εx′y、κx′分别为局部坐标系下的应变及曲率；
整体坐标系下的弹性矩阵D，可由局部坐标系下弹性矩阵D*求得
D＝CTD*C (5)
上式中
而C为转换矩阵；
对于层状材料，式(6)中的弹性常数分别为
对于层状材料剪应力与剪应变之间、偶应力与曲率之间的关系为
C22＝C11+G (8c)
上式中，G为岩层剪切模量，kn为层面的法向刚度，ks为层面的剪切刚度，b为层面间距，B为抗弯刚度，E为弹性模量。
4.根据权利要求1所述的模拟层状岩体力学行为的双尺度方法，其特征在于，所述将所述模拟岩石工程结构的几何模型中，层面之间间距为米级尺度的层面显式地纳入计算模型，得到非连续变形分析方法中的块体***，其中，所述显示地纳入计算机模型的层面之间间距为米级尺度的层面构成所述非连续变形分析方法中的块体间的接触边界的步骤过程中，还包括对传统非连续变形分析方法中的块体的变量(u,v)T进行扩充以包括转动位移wc的步骤。
5.根据权利要求4所述的模拟层状岩体力学行为的双尺度方法，其特征在于，在所述非连续变形分析方法中，耦合分析模型中，非连续变形分析块体内任一点(x,y)的位移(u,v,wc)T，其中，所述转动位移wc不参与计算，所述非连续变形分析方法与传统非连续变形分析方法相同。
6.一种模拟层状岩体力学行为的双尺度装置，其特征在于，包括，
几何模型获取模块，用于获取模拟岩石工程结构的几何模型；
非连续变形分析方法中的块体***构建模块，用于将所述模拟岩石工程结构的几何模型中，层面之间间距为米级尺度的层面显式地纳入计算模型，得到非连续变形分析方法中的块体***，其中，所述显示地纳入计算机模型的层面之间间距为米级尺度的层面构成所述非连续变形分析方法中的块体间的接触边界；
COSSERAT模拟模块，用于针对所述非连续变形分析方法中的每一个体，采用COSSERAT层状模型以宏观等效的方式进行隐式模拟其内部包含的厘米级尺度的层面；
力学行为参数求解分析模块，用于在非连续变形分析框架下进行求解分析，获得模拟层状岩体力学行为参数，其中，所述模拟层状岩体力学行为参数包括位移、应变和应力。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有模拟层状岩体力学行为的双尺度方法的控制程序，所述模拟层状岩体力学行为的双尺度方法的控制程序在被处理器执行时，实现权利要求1-5中任一所述的模拟层状岩体力学行为的双尺度方法的步骤。
8.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有模拟层状岩体力学行为的双尺度方法的控制程序，所述模拟层状岩体力学行为的双尺度方法的控制程序在被处理器执行时，实现权利要求1-5中任一所述的模拟层状岩体力学行为的双尺度方法的步骤。
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