一种非连续等效连续混合研究方法

4.2.1　节的研究内容解决了基于三维离散元进行复杂裂隙岩体数值试验研究的第一个难点:非贯通节理的建模问题。基于三维离散元方法建立复杂岩体结构模型进行数值试验研究的另一个难点是:当模型中存在数量较多且复杂交切的结构面时，模型计算将耗时长、难度大。在个人电脑上进行一个普通尺寸(如30m)岩体模型的三维应力分析需要花费数月的时间，而且若模型太过复杂，程序易出现意外错误或内存溢出等问题，而进行三维条件下裂隙岩体力学参数尺寸效应研究需要对不同尺寸的裂隙岩体模型在不同方向上进行数值试验，仅一种试验方案下的尺寸效应研究就需进行30～40个模型的三维应力分析。因此，直接基于岩体中的复杂节理系统进行三维条件下的岩体力学参数尺寸效应研究是几乎不可能实现的。Kulatilake(1993)曾采用一种非连续/等效连续混合研究方法对上述研究过程进行简化，将一个三维离散元应力分析模型在个人电脑上的计算时间控制在5～6h。本研究沿用该方法的基本思想，在考虑不同模型位置的基础上，对该方法进行一定的改进。下面将详细介绍数值试验模型位置及尺寸的选取方法和非连续/等效连续混合研究方法的基本思想。

4.2.2.1　模型位置的选取原则

传统方法在尺寸效应研究中选取不同尺寸计算模型时，通常是以最大岩体模型的中心点为基准，选取的所有不同尺寸模型的中心点与最大模型的中心点保持一致，如图4-4(a)所示。由于模型中不同位置的结构面几何分布有所差异，模型中某一个位置处该尺寸岩体模型中所包含的结构面系统往往与该尺寸模型中岩体结构的平均分布情况有所差异，这种差异对于尺寸较小的岩体模型尤其明显。为了减小这种误差对尺寸效应分析结果的影响，在进行研究时，随机选取5个不同位置的同一尺寸模型分别进行建模和计算，如图4-4(b)所示。在基于数值试验法研究岩体模型的力学参数时，将同一尺寸不同位置的模型计算结果的均值作为该尺寸模型力学参数的最终结果。

图4-4　模型位置的选取原则

4.2.2.2　模型尺寸的选取及相应结构面系统的确定方法

通过大量试算得出，若三维离散元计算模型中含有的非贯通节理条数小于16条(假想结构面64条，模型中结构面总数80条)，则该模型在个人电脑上的计算时间将在6h左右(Kulatilake等，1993)。基于此结论，本书采用下面的方法选取模型尺寸并确定不同尺寸模型中的结构面系统。

(1)首先选取最小的模型尺寸。随机选取5个不同位置的最小尺寸模型，使5个模型中完全包含(结构面4个端点均在模型内)的结构面条数的均值在16条之内，并标记所有模型中结构面最大尺寸的均值L1。换言之，在该尺寸所有模型中结构面尺寸的范围均值为0～L1。

(2)选取下一个模型尺寸。同样随机选取5个不同位置的该尺寸模型，使长度大于L1且完全包含在各模型中结构面条数的均值在16条之内，同时标记各模型中结构面最大尺寸的均值L2。需要注意的是，在该尺寸模型结构面系统建模时不考虑尺寸为0～L1的结构面，即该尺寸模型中结构面的尺寸范围为L1～L2。

(3)选取第3个模型的尺寸。同样随机选取5个不同位置的该尺寸模型，控制长度大于L2且完全包含在该尺寸所有模型中结构面条数的均值在16条之内，同时标记所有模型中结构面最大尺寸的均值L3。即在该尺寸模型中，所建立的系统中结构面尺寸范围为L2～L3。

(4)以此类推，逐步选取较大模型尺寸，直至最大尺寸。

4.2.2.3　非连续/等效连续混合研究方法的基本思想

按照上述原则选取离散元计算模型的尺寸、位置及相应的结构面系统之后，首先引入假想结构面，在3DEC中建立不同位置的最小尺寸模型并进行三维离散元数值试验，对岩体强度和变形性质进行分析，获取不同位置最小尺寸模型的等效力学参数的均值，这套等效力学参数的均值综合反映了完整岩块和尺寸为0～L1的结构面的力学性质。在进行下一个尺寸模型的三维离散元数值分析时，引入非连续/等效连续混合研究方法，用所求得的最小尺寸模型的等效力学参数均值赋值于岩块，使其代表完整岩块和尺寸为0～L1的结构面的等效力学性质，然后引入假想结构面，生成不同位置模型中所包含的尺寸为L1～L2的结构面系统，并对不同位置模型进行三维数值试验，确定不同位置模型等效力学参数的均值，根据非连续/等效连续研究方法的基本思想，该力学参数的均值能综合反映完整岩块及岩体中尺寸为0～L2的结构面系统的力学性质。按照该方法以此类推，在保证每个尺寸岩体模型复杂程度不增加的情况下，基于非连续/等效连续混合研究方法近似确定各个尺寸岩体模型的等效力学参数。这种方法可以保证各尺寸离散元模型的计算时间在6h左右，大大地简化了计算，使基于三维结构面网络模拟的复杂裂隙岩体力学参数三维离散元尺寸效应研究得以实现。