层状岩体弹塑性损伤模型构建方法及装置

技术领域

本申请涉及岩土技术领域，特别涉及一种层状岩体弹塑性损伤模型构建方法及装置。

背景技术

相关技术中，针对层状岩体可以内嵌横观各向同性弹性模型和遍布节理模型，其中，横观各向同性弹性模型可以进行简单的线弹性计算，遍布节理模型可以采用Mohr-Coulomb模型分别针对岩块和结构面建立各自的强度屈服准则，从而可以考虑横观各向同性及结构面特性。

然而，相关技术中仅能进行简单的线弹性计算，无法进行塑性区判别与塑性阶段的计算，并且计算时是各向同性的，未考虑岩体参数的方向性，无法真实反映层状岩体横观各向同性的变形特征，亟待解决。

发明内容

本申请是基于发明人对以下问题和认识作出的：

层状岩体广泛存在于隧道工程中，长期的地质历史演化过程及构造运动使其物理力学特性趋于复杂化，任何本构模型都无法完美拟合岩体的应力应变关系。

模型简化是对岩体的本构模型进行研究的重要方式，通常将层状岩体看成横观各向同性模型，常用的有限差分数值软件FLAC

层状岩体在塑性变形阶段会发生损伤，会影响岩体粘聚力与内摩擦角的动态变化，而FLAC

本申请提供一种层状岩体弹塑性损伤模型构建方法及装置，以解决相关技术中仅能进行简单的线弹性计算，无法进行塑性区判别与塑性阶段的计算，并且计算时是各向同性的，未考虑岩体参数的方向性，无法真实反映层状岩体横观各向同性的变形特征等问题。

本申请第一方面实施例提供一种层状岩体弹塑性损伤模型构建方法，包括以下步骤：基于FLAC

可选地，在本申请的一个实施例中，本申请实施例的方法还包括：将编写后的弹塑性损伤本构模型导出dll动态链接文件，得到供所述FLAC

可选地，在本申请的一个实施例中，所述输入参数包括平行于各向同性面的弹性模量和泊松比、垂直于各向同性面的弹性模量、泊松比和剪切模量。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述有效应力表达式为：

其中，λ

可选地，在本申请的一个实施例中，所述预设屈服准则为Mohr-Coulomb强度屈服准则。

本申请第二方面实施例提供一种层状岩体弹塑性损伤模型构建装置，包括：第一确定模块，用于基于FLAC

可选地，在本申请的一个实施例中，本申请实施例的装置还包括：导出模块，用于将编写后的弹塑性损伤本构模型导出dll动态链接文件，得到供所述FLAC

可选地，在本申请的一个实施例中，所述输入参数包括平行于各向同性面的弹性模量和泊松比、垂直于各向同性面的弹性模量、泊松比和剪切模量。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述有效应力表达式为：

其中，λ

可选地，在本申请的一个实施例中，所述预设屈服准则为Mohr-Coulomb强度屈服准则。

本申请第三方面实施例提供一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如上述实施例所述的层状岩体弹塑性损伤模型构建方法。

本申请第四方面实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上的层状岩体弹塑性损伤模型构建方法方法。

本申请实施例可以基于FLAC

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本申请实施例提供的一种层状岩体弹塑性损伤模型构建方法方法的流程图；

图2为本申请一个具体实施例的层状岩体弹塑性损伤模型构建方法方法的流程图；

图3为根据本申请实施例的层状岩体弹塑性损伤模型构建方法装置的结构示意图；

图4为根据本申请实施例的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

下面参考附图描述本申请实施例的层状岩体弹塑性损伤模型构建方法及装置。针对上述背景技术中心提到的相关技术中仅能进行简单的线弹性计算，无法进行塑性区判别与塑性阶段的计算，并且计算时是各向同性的，未考虑岩体参数的方向性，无法真实反映层状岩体横观各向同性的变形特征的问题，本申请提供了一种层状岩体弹塑性损伤模型构建方法，在该方法中，可以基于FLAC

具体而言，图1为本申请实施例所提供的一种层状岩体弹塑性损伤模型构建方法的流程示意图。

如图1所示，该层状岩体弹塑性损伤模型构建方法包括以下步骤：

在步骤S101中，基于FLAC

可以理解的是，本申请实施例可以将层状岩体近似看成横观各向同性体，基于FLAC

可选地，在本申请的一个实施例中，输入参数包括平行于各向同性面的弹性模量和泊松比、垂直于各向同性面的弹性模量、泊松比和剪切模量。

在实际执行过程中，本申请实施例可以选择平行于各向同性面的弹性模量E

在步骤S102中，确定层状岩体本构模型中局部坐标系与整体坐标系的应力转换矩阵，并定义局部坐标系下的弹性刚度矩阵。

可以理解的是，本申请实施例可以确定层状岩体本构模型中局部坐标系与整体坐标系的应力转换矩阵L，并定义局部坐标系下的弹性刚度矩阵D

其中，在横观各向同性体的弹性方程时，整体坐标系转换到局部坐标系下的应力转换矩阵L为：

其中，{l

进一步地，为了模型计算方便与地质学中对局部坐标系的应用习惯，确定的局部坐标系下横观各向同性体的弹性刚度矩阵为：

在步骤S103中，通过应力转换矩阵计算整体坐标系下的弹性刚度矩阵。

在实际执行过程中，本申请实施例可以通过应力转换矩阵L计算整体坐标系下的弹性刚度矩阵D，即根据局部坐标系下的应力、应变与整体坐标系下的应力应变关系可得整体坐标系下的横观各向同性弹性刚度矩阵为：

[D]＝[L]

在步骤S104中，根据总应变增量与弹性刚度矩阵计算假想弹性应力增量。

可以理解的是，本申请实施例可以根据总应变增量Δε

在一些实施例中，当应力状态达到初始屈服面时，总应变增量表示为：

其中，

其中，根据塑性流动法则，塑性应变增量

其中，λ表示应力修正因子，g表示塑性势函数，σ

在步骤S105中，根据塑性应变和对下一步符合弹塑性模型的应力进行修正。

可以理解的是，本申请实施例可以根据塑性应变

其中，根据塑性应变对

其中，

在步骤S106中，基于预设屈服准则，判断材料是否满足预设屈服条件，若屈服，则引入以等效塑性应变作为损伤变量的自变量，并通过损伤变量对岩体粘聚力与内摩擦角进行动态的塑性损伤修正。

可以理解的是，本申请实施例可以基于下述步骤中的屈服准则，判断材料是否满足屈服条件，当满足屈服条件时，则引入以等效塑性应变

进一步地，根据损伤变量H对内摩擦角c与粘聚力

其中，本申请实施例中使用的损伤变量H随着等效塑性应变

其中，在本申请的一个实施例中，预设屈服准则为Mohr-Coulomb强度屈服准则。

作为一种可能实现的方式，本申请实施例可以根据Mohr-Coulomb强度屈服准则，判断是否进入塑性阶段，当发生塑性变形时，试样内部损伤不断累积，内摩擦角c与损伤变量黏聚力

其中，c

其中，损伤变量H可表示为以等效塑性应变

其中，a为模型无量纲参数。

在部分实施例中，由于层状岩体在变形过程中初始压密阶段未发生损伤或可以忽略，直到进入塑性阶段才真正产生损伤，而FLAC

在步骤S107中，将修正后的粘聚力与内摩擦角带入更新后的屈服准则。

可以理解的是，本申请实施例可以将修正后的粘聚力c与内摩擦角

在步骤S108中，计算塑性修正之后的有效应力表达式，以根据修正后的有效应力表达式，在预设平台编写弹塑性损伤本构模型。

可以理解的是，本申请实施例可以计算下述步骤中塑性修正之后的有效应力表达式，以根据修正后的有效应力表达式，在平台编写弹塑性损伤本构模型，例如，可以在Visual Studio 2010平台编写弹塑性损伤本构模型，有效提升了模型开发的便捷性与个性化水平。

举例而言，本申请实施例可以选择Visual Studio 2010平台实现层状岩体弹塑性损伤本构模型的二次开发，该平台提供了方便理解与编写的C++模块对模型代码进行编写，便于科研工作者的二次开发，实现个性化功能的本构模型。

其中，进行剪切破坏准则修正塑性损伤修正之后的有效应力表达式分式为：

其中，

其中，进行拉伸破坏准则修正塑性损伤修正之后的有效应力表达式分式为：

其中，λ

可选地，在本申请的一个实施例中，本申请实施例的方法还包括：将编写后的弹塑性损伤本构模型导出dll动态链接文件，得到供FLAC

在部分实施例中，根据上述修正后的有效应力表达式，本申请实施例可以在Visual Studio 2010环境下的C++板块实现横观各向同性弹塑性损伤模型编写和部署，编译生成dll动态链接文件，将文件源代码放置在FLAC

如图2所示，下面以一个具体实施例对本申请实施例的工作原理进行详细阐述。

步骤S201：输入模型参数，即本申请实施例可以根据FLAC

步骤S202：定义局部坐标系下弹性刚度矩阵、定义应力转换矩阵。

步骤S203：计算整体坐标系下的弹性刚度矩阵，即通过应力转换矩阵计算整体坐标系下的弹性刚度矩阵。

步骤S204：计算假想弹性应力，即根据总应变增量与弹性刚度矩阵计算假想弹性应力增量。

步骤S205：判断是否屈服，即根据屈服准则判断材料是否屈服，当屈服时，则执行步骤S206，否则，执行步骤S203。

步骤S206：计算等效塑性应变，并计算损伤变量。

步骤S207：判断计算是否停止，当计算停止时，则执行步骤S210，否则，执行步骤S208。

步骤S208：修正粘聚力c与内摩擦角

步骤S209：修正屈服准则，即将修正后的粘聚力c与内摩擦角

步骤S210：计算有效应力表达式，并结束。

步骤S211：Visual Studio 2010二次开发，即根据有效应力表达式，在VisualStudio 2010平台编写弹塑性损伤本构模型。

综上，本申请实施例可以基于FLAC

根据本申请实施例提出的层状岩体弹塑性损伤模型构建方法，可以基于FLAC

其次参照附图描述根据本申请实施例提出的层状岩体弹塑性损伤模型构建装置。

图3是本申请实施例的层状岩体弹塑性损伤模型构建装置的方框示意图。

如图3所示，该层状岩体弹塑性损伤模型构建装置10包括：第一确定模块100、第二确定模块200、第一计算模块300、第二计算模块400、修正模块500、判断模块600、处理模块700和构建模块800。

具体地，第一确定模块100，用于基于FLAC

第二确定模块200，用于确定层状岩体本构模型中局部坐标系与整体坐标系的应力转换矩阵，并定义局部坐标系下的弹性刚度矩阵。

第一计算模块300，用于通过应力转换矩阵计算整体坐标系下的弹性刚度矩阵。

第二计算模块400，用于根据总应变增量与弹性刚度矩阵计算假想弹性应力增量。

修正模块500，用于根据塑性应变和对下一步符合弹塑性模型的应力进行修正。

判断模块600，用于基于预设屈服准则，判断材料是否满足预设屈服条件，若屈服，则引入以等效塑性应变作为损伤变量的自变量，并通过损伤变量对岩体粘聚力与内摩擦角进行动态的塑性损伤修正。

处理模块700，用于将修正后的粘聚力与内摩擦角带入更新后的屈服准则。

构建模块800，用于计算塑性修正之后的有效应力表达式，以根据修正后的有效应力表达式，在预设平台编写弹塑性损伤本构模型。

可选地，在本申请的一个实施例中，本申请实施例的装置10还包括：导出模块。

其中，导出模块，用于将编写后的弹塑性损伤本构模型导出dll动态链接文件，得到供FLAC

可选地，在本申请的一个实施例中，输入参数包括平行于各向同性面的弹性模量和泊松比、垂直于各向同性面的弹性模量、泊松比和剪切模量。

可选地，在本申请的一个实施例中，有效应力表达式为：

其中，λ

可选地，在本申请的一个实施例中，预设屈服准则为Mohr-Coulomb强度屈服准则。

需要说明的是，前述对层状岩体弹塑性损伤模型构建方法实施例的解释说明也适用于该实施例的层状岩体弹塑性损伤模型构建装置，此处不再赘述。

根据本申请实施例提出的层状岩体弹塑性损伤模型构建装置，可以基于FLAC

图4为本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。该电子设备可以包括：

存储器401、处理器402及存储在存储器401上并可在处理器402上运行的计算机程序。

处理器402执行程序时实现上述实施例中提供的层状岩体弹塑性损伤模型构建方法。

进一步地，电子设备还包括：

通信接口403，用于存储器401和处理器402之间的通信。

存储器401，用于存放可在处理器402上运行的计算机程序。

存储器401可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。

如果存储器401、处理器402和通信接口403独立实现，则通信接口403、存储器401和处理器402可以通过总线相互连接并完成相互间的通信。总线可以是工业标准体系结构(Industry Standard Architecture，简称为ISA)总线、外部设备互连(PeripheralComponent，简称为PCI)总线或扩展工业标准体系结构(Extended Industry StandardArchitecture，简称为EISA)总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图4中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

可选地，在具体实现上，如果存储器401、处理器402及通信接口403，集成在一块芯片上实现，则存储器401、处理器402及通信接口403可以通过内部接口完成相互间的通信。

处理器402可能是一个中央处理器(Central Processing Unit，简称为CPU)，或者是特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称为ASIC)，或者是被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。

本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上的层状岩体弹塑性损伤模型构建方法。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或N个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。