刘晓宇-CDEM的流固耦合及块体破裂模型.ppt

CDEM,的流固耦合及块体破裂模型,1,地质体的非连续性,岩土体作为一种地质体，在漫长的地质过程中会形成不同尺度的结构面（断层、软弱夹层、节理裂隙）。结构面的存在控制着岩体的变形、强度。,地质体的流固耦合特性,由于不同尺度、方向的结构面所构成的网络系统成为地下水储存、运移的通道，这使得岩土体又赋存于一定的渗流场环境当中，渗流场与应力场之间的耦合作用,(,相互影响作用,),是岩体力学的重要特性之一。,地质体的渐进破坏,岩土体在各种外部因素作用下，会在不同部位产生局部应力集中，并在某些变形加剧区域产生破裂面。随着外部荷载、材料强度的变化以及破裂面释放的应力在岩土体内部的转移和调整，新的破裂面继续萌生，已有的破裂面不断扩展、汇合，直至整个岩土体整体破坏。,一、不连续地质体建模技术,二、裂隙岩体渗流应力耦合模型,三、裂纹扩展模拟技术,主要内容,结构面,（不连续面）,网格划分,块体切割,Incomplete fracture geometry information in field surveys,不连续地质体建模技术,预设大尺度结构面,软弱结构面,手工预设贯穿岩土体的大尺度结构面,Incomplete fracture geometry information in field surveys,不连续地质体建模技术,规则裂隙分布,手工预设结构面,Incomplete fracture geometry information in field surveys,不连续地质体建模技术,不规则裂隙分布,随机结构面,Incomplete fracture geometry information in field surveys,不连续地质体建模技术,裂隙统计分布,根据勘测所得数据，运用统计学方法建立包括裂隙面的密度、迹长、产状和开度在内的各组裂隙几何参数的概率模型,裂隙系统,取向,迹长,Incomplete fracture geometry information in field surveys,不连续地质体建模技术,裂隙统计分布,假定裂隙面在空间上为圆盘状，利用每组优势裂隙面的数目，然后利用,Monte-Carlo,模拟原理生成该组裂隙中各裂隙面的几何参数。其中，利用均匀分布随机数生成器，随机生成服从均匀分布的圆盘中心点坐标；利用迹长（或半迹长）的概率分布类型和分布参数，利用随机生成圆盘的直径；利用裂隙产状的分布特征和规律随机生成圆盘的倾向和倾角；利用裂隙开度的统计规律随机生成圆盘的开度。,Incomplete fracture geometry information in field surveys,不连续地质体建模技术,裂隙统计分布,利用随机生成的各个裂隙圆盘的中心点坐标、倾向、倾角和圆盘直径或半径，生成一系列的平面方程和柱面方程，逐个切割完整的岩体的模型第一条裂隙切割,第二条裂隙切割,第三条裂隙切割,Incomplete fracture geometry information in field surveys,不连续地质体建模技术,裂隙统计分布,利用随机生成的各个裂隙圆盘的中心点坐标、倾向、倾角和圆盘直径或半径，生成一系列的平面方程和柱面方程，逐个切割完整的岩体的模型。,平面切割,圆柱切割,Incomplete fracture geometry information in field surveys,不连续地质体建模技术,裂隙统计分布,利用随机生成的各个裂隙圆盘的中心点坐标、倾向、倾角和圆盘直径或半径，生成一系列的平面方程和柱面方程，逐个切割完整的岩体的模型,。,Successive space subdivision approach,不连续地质体建模技术,组号,条数,倾向角,开度,迹长,均值,方差,均值,方差,均值,1,10,136.2,18.6,0.005,0.001,3.42,2,10,56.6,11.5,0.005,0.001,3.44,Successive space subdivision approach,不连续地质体建模技术,根据块体单元的切割面自动生成三维裂隙网络系统，并进行三角形单元的网格划分。最后将利用,Monte-Carlo,方法生成的具有统计分布的开度赋予各个裂隙单元，产生服从开度统计分布规律的裂隙面渗透系数。,一、不连续地质体建模技术,二、裂隙岩体渗流应力耦合模型,三、裂纹扩展模拟技术,主要内容,+,裂隙,岩体,渗流,应力,耦合,作用,模拟岩体应力场的,不规则可变形块体离散元模型（,CDEM,）,模拟裂隙渗流场的,裂隙网络渗流模型,裂隙岩体渗流应力耦合模型,三维不规则、可变形块体,将块体看作内部没有任何不连续面的连续体。基于连续介质力学思想，块体的力学行为可采用三维动力学基本微分方程来描述,为求解块体域内的动力学问题，采用四面体网格划分，将块体离散为四面体单元,Face Center,Vertex,Block Center,接触单元,连接单元,当相邻两块体之间存在结构面时，邻居节点为接触单元，遵循非线性本构关系,当相邻两块体之间完全连续时，邻居节点为连接单元，之间采用位移约束,或连接弹簧，遵循线弹性本构关系,裂隙网络渗流方程,非稳定渗流的基本微分方程,裂隙渗透系数,x,y,z,t,q,q,对于裂隙流而言，认为渗流只在沿平行于裂隙面的方向发生,达西定律和质量守恒方程,裂隙网络渗流方程,Vertex,Segment Center,采用三角形单元进行有限元数值计算,裂隙渗流模型计算流程,运动方程,动态松弛法,水头：,0.001s,水头：,1s,水头：,5s,水头：,10s,水头：,20s,水头：,40s,水头：,80s,水头：,160s,水头：,240s,节理裂隙岩体渗流应力耦合作用的数值模拟,试件 长,宽,高,:,40m40m40m,渗流单元 长,宽,:2.5m2.5m,初始裂隙隙宽：,10mm,重力,:9.8m/s,2,;,水密度,:1.0e3;,水流粘滞系数,:1.0e-6,边界线,(x=0,z=20):,流量,q,1,=0.8m,2,/s,边界线,(x=40,z=20):,水头,H,1,=50m,三组相互正交的裂隙组成的规则裂隙网络,渗流区域内的水头分布,正视图,侧视图,裂隙岩体渗流应力耦合模型,H,:,水头,q,:,流量,K,x,K,y,K,z,:,渗透系数,ij,:,应力,ij,:,应变,渗流场模型：,应力场模型：,各条裂隙的隙宽,空间位置,裂隙岩体渗流应力耦合模型,数值算例,水力耦合,Young modulus,Poisson ratio,density,8.7510,7,0.2,1.810,3,不考虑水力耦合,考虑水力耦合,水平位移,杨氏模量,密度,内聚力,摩擦系数,泊松比,30,2100,10,50,0.3,粘性系数,重力加速度,缝宽,b,密度,贮水系数,1.010,6,9.8,1.010,-3,1.010,3,5.010,-3,算例：裂隙渗流作用下坡体失稳过程模拟,The study domain:20,m,1,m,20,m,30,水平位移：,20000,步,水平位移：,30000,步,水平位移：,50000,步,水平位移：,80000,步,水平位移：,90000,步,一、不连续地质体建模技术,二、裂隙岩体渗流应力耦合模型,三、裂纹扩展模拟技术,单元界面破裂,块体内部破裂,主要内容,Incomplete fracture geometry information in field surveys,裂纹扩展模拟技术,界面破裂,Ks,：,剪切刚度,Kn,：,法向刚度,当相邻两块体之间完全连续时，邻居节点采用连接型弹簧，遵循线弹性本构关系,当连接型弹簧满足张拉,-,压剪复合破坏准则时，连接型弹簧将发生张拉或压剪模式的弹脆性破坏，转变为接触型弹簧,其中，张拉模式的弹脆性破坏采用最大张拉力准则模拟,压剪模式的弹脆性破坏采用莫尔库仑准则模拟,当相邻两块体之间存在结构面时，邻居节点采用接触型弹簧，遵循非线性本构关系,块体,3,块体,1,块体,2,Incomplete fracture geometry information in field surveys,界面破裂算例,顺层岩体,反倾岩体,含软弱带岩体,软弱土层,一、不连续地质体建模技术,二、裂隙岩体渗流应力耦合模型,三、裂纹扩展模拟技术,单元界面破裂,块体内部破裂,弹脆性材料（岩体）,弹塑性材料（土体）,主要内容,Incomplete fracture geometry information in field surveys,裂纹扩展模拟技术,块体内部破裂自适应网格模拟技术,扩展有限元技术,块体的破裂模型,C,3,s,拉破坏面,3,s,3,s,拉伸破坏,通过相对位移选择滑动面：,3,s,3,s,3,s,1,s,1,s,1,s,1,s,剪切破坏,常规单元切割,切割点与角点重合,裂纹扩展切割,边界单元切割,块体一条边,与切割面关系,不相交,被剖分为两部分,该边至少有一个角点在切割面上,块体一个面,与切割面关系,不相交,该边两角点,P1,、,P2,将继承父节点与其它块体节点的混合节点关系,该面面中心点将继承父面中心点与其它块体节点的混合节点关系,被剖分为两部分,边被完全切割,边被不完全切割,边界边,边被完全切割,边被不完全切割,边界边,面被完全切割面被不完全切割,边界面,Key point,Block cutting technique,对于给定的切割平面方程，给出切割面,、切割面上方,+,和切割面下方,-,的,level set,函数,块体边与切割面的交点坐标：,利用,level-set,函数遍历块体所有面，检查各面与切割面之间的关系,常规单元切割,插值关系,混合节点,混合节点,接触节点,1,。寻找混合节点；,2,。寻找接触节点；,3,。寻找插值节点；,边界单元切割,接触节点,混合节点,混合节点,接触节点,接触节点,自由节点,1,。寻找混合节点；,2,。寻找接触节点；,3,。寻找插值节点；,裂纹扩展切割,混合节点,接触节点,或,混合节点,1,。寻找混合节点；,2,。寻找接触节点；,3,。寻找插值节点；,混合节点,块体一条边被切割面剖分为两部分,1,。建立新节点,S1,、,S2,与角点,P1,、,P2,之间的插值关系；,2,。将位于切割点的所有新节点定义为克隆关系；,Y,该边两角点,P1,、,P2,将继承父节点与其它块体节点的克隆关系,该边是否为边界边,Y,将新产生的两个节点,S1,、,S2,定义为接触关系；,N,该边是否为完全被切割,N,Y,1,。消除原有新节点的插值关系；,2,。,将每一对新节点（,S1,S2,）都定义为接触关系；,3,。将位于接触面上方的所有新节点定义为克隆关系；,4,。将位于接触面下方的所有新节点定义为克隆关系；,块体一个面被切割面剖分为两部分,将面心节点看作自由节点,Y,建立面心节点与相邻面内节点之间的插值关系,该面是否为边界面,Y,N,该边是否为完全被切割,N,Y,1,。消除原有面心节点的插值关系；,2,。,将两个新面心节点定义为克隆关系；,切割点与角点重合,接触节点,混合节点,内部块体,边界块体,1,。寻找混合节点；,2,。寻找接触节点；,3,。寻找插值节点；,混合节点,切割点与角点重合,1,。寻找混合节点；,2,。寻找接触节点；,3,。寻找插值节点；,该边至少有一个角点在切割面上,Y,该边是否为边界边,Y,该边两角点,P1,、,P2,将继承父节点与其它块体节点的克隆关系,N,1,将子块体新产生的、位于接触面上的两个节点,S1,、,S2,定义为接触关系；,2,。将节点,S1,、,S2,继承的父节点与其它块体节点的克隆关系进行重新筛选：,位于切割面之上的子块体将继承的父节点中与位于切割面之上的其它块体节点的克隆关系；位于切割面之下的子块体将继承的父节点中与位于切割面之下的其它块体节点的克隆关系。,该点是否为完全被切割,Y,1,。将子块体新产生的、位于接触面上的两个节点,S1,、,S2,定义为接触关系；,2,。将节点,S1,、,S2,继承的父节点与其它块体节点的克隆关系进行重新筛选：,位于切割面之上的子块体将继承的父节点中与位于切割面之上的其它块体节点的克隆关系；位于切割面之下的子块体将继承的父节点中与位于切割面之下的其它块体节点的克隆关系。,Incomplete fracture geometry information in field surveys,裂纹扩展模拟技术,单裂纹扩展,(1).,每个迭代时步结束后，计算裂纹前端单元的应力场；,(2).,当该单元应力场满足破坏准则时，裂纹在该单元内扩展至其边界；,(3).,裂纹扩展方向沿破坏准则给定方向；,Incomplete fracture geometry information in field surveys,裂纹扩展模拟技术,单裂纹扩展,s,P/2,P/2,P,b,a,s=12;b=4;,Incomplete fracture geometry information in field surveys,裂纹扩展模,拟,技术,多裂纹扩展,Incomplete fracture geometry information in field surveys,裂纹扩展模,拟,技术,多裂纹扩展,底面三个方向约束,P=3.010,7,(Pa),一、不连续地质体建模技术,二、裂隙岩体渗流应力耦合模型,三、裂纹扩展模拟技术,单元界面破裂,块体内部破裂,弹脆性材料（岩体）,弹塑性材料（土体）,主要内容,弹塑性材料本构模型,弹塑性材料本构方程,弹性阶段：,塑性阶段：,屈服函数：,一致性,条件,流动,法则,弹塑性材料本构模型,弹塑性材料本构方程,弹塑性材料本构模型,Drucker-Prager,模型：,Mohr-Coulumb,模型：,强度折减方法计算边坡安全系数,40000,步,80000,步,120000,步,160000,步,200000,步,240000,步,280000,步,320000,步,问题由来,其一是缺乏统一的边坡极限状态的判定标准，亦即边坡失稳判据,数值解非收敛判据：,认为当边坡处于极限平衡状态时，非线性有限元方程组的迭代过程将不收敛。由于收敛的标准通常是由用户指定的失衡力的大小来控制的，且不收敛可由很多其他因素而引起，并不一定意味着结构已经崩溃。,塑性区贯通判据：,认为某一幅值广义剪应变或广义塑性应变等值线由坡底贯通到坡项，则意味边坡已经失稳破坏。研究者必须有相当的经验才能选取合理的临界应变幅值。,位移突变判据：,认为当边坡达到极限状态时，某些点的位移会趋于流动状态。由于在某些复杂情况下选取不同的特征点，可能会给出不同的安全系数。并且，选取哪一点作为极限状态也尚未取得共识。,由于失稳判据,或难以进行量化，或在分析过程中受人为因素的影响，或存在诸多不确定性,，其将直接影响到安全系数的计算结果。,问题由来,其二是缺乏系统而严密的确定边坡潜在滑面的方法。,目前在工程计算中，,一般是根据临界态的塑性区、变形图、干扰能量图，或其他可视化技术来大致估计临界滑面,。例如，利用广义塑性剪应变的等色图来确定滑动面，采用位移增量等值线来确定临界滑面；,或者是根据分析者的经验，,通过手工指定一系列线段和圆弧的组合作为可能的滑移路径，并从中搜寻出安全系数最小的滑移路径作为潜在滑面,。,不连续分叉条件,不连续分叉条件,均质土坡，坡高,H,=20m,，坡角,=30,，杨氏模量,E,=100MPa,，泊松比,=0.3,，容重,=20kN/m3,，内聚力,C,=30kPa,，内摩擦角,=15,。边坡左右两侧边界为法向约束，底边为双向固定约束。,Time Step:120000,Time Step:200000,Time Step:240000,Time Step:280000,Time Step:320000,Time Step:360000,相关资料,张丽,刘晓宇,李世海,.,裂隙岩体稳定,/,非稳定渗流数值模拟,岩石力学与工程学报,2009(9),28,Supp.2 3409-3416.,X.Y.Liu,Y.Liu and S.H.Li.Modelling of Hydro-mechanical Coupling for Fractured Rocks.Proceeding of International Symposium/RCUK-China Summer School on Discrete Element Methods and Numerical Modelling of Discontinuum Mechanics,pp 288-302,2008/9/24.,韩永臣,刘晓宇,李世海,.,模拟岩石材料脆性破裂过程的三维离散元模型,力学与实践,.,谢 谢,!,