【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及对岩体施加振动载荷技术，特别是一种基于扩展有限元的分析振动载荷对前方含水断层稳定性影响的数值模拟方法。
技术介绍
1、在煤矿开采、巷道掘进、隧道掘进等工程施工过程中，需要对岩体施加振动载荷，如果岩体前方存在含水断层，则振动载荷的施加很有可能会诱发含水断层活动失稳、引起突水事故，对工程设施、及施工人员的人身财产安全构成威胁，因此，研究分析振动载荷对前方含水断层稳定性影响的数值解算方法，并开发出相应的数值模拟程序成为了关乎国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题。
2、【b.jha,r.juanes.coupled multiphase flow and poromechanics:acomputational model of pore pressure effects on fault slip and earthquaketriggering[j].water resources research,2014,50:3776-3808.】都是用有限单元法来做断层，但有限单元法做的曲面断层，在断层活动时的计算需不断随着断层界面形状的变化而重新划分网格、运算量巨大，并且用lagrange multiplier methods处理断层界面两边的非连续性，增加了未知变量的个数，造成运算量过大，不适合用于研究曲面断层的情况，而现实世界中存在的基本上都是曲面断层，所以需要研究新方法、新技术来突破这个问题。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的问题，本专利技术提
2、本专利技术的目的通过以下技术方案实现。
3、一种基于扩展有限元的分析振动载荷对前方含水断层稳定性影响的数值模拟方法，步骤包括：
4、1)对于固体变形，从固体的动量平衡方程开始，通过最小势能原理，构建其积分方程，然后对积分区域离散化划分网格，在网格中进行计算；对于孔隙介质中的流体流动问题，本专利技术从单相牛顿流体的流体质量守恒方程出发，运用达西定律来描述流体流动，通过将流体流速和压力都作为未知变量，构建了流体流动的积分方程，然后对积分区域离散化划分网格，在网格中进行计算；
5、2)选择扩展有限单元法来处理断层两侧岩层变形和流体流动的非连续性；
6、3)运用孔隙弹性力学的biot理论来研究围岩孔隙介质中流体流动和固体变形的流固耦合相互作用；
7、4)采用fixed-stress split方法来计算流固耦合问题，在这个方法中，流固耦合问题被分解为流体问题和固体变形问题，首先通过固定总的固体应力场来计算介质中的流体流动问题，然后应用流体流动问题的计算结果来计算固体变形问题；
8、5)按零厚度界面来表征断层，同时，通过一个简化模型将断层作为破碎带中的流体流动简化为一个零厚度界面中的流体流动来计算断层中的流体流动问题；
9、6)通过采用nitsche方法来解决断层活动时断层结构的动态耦合问题；
10、7)应用rate-and state-dependent摩擦模型来计算断层界面的摩擦特性。
11、步骤1)中所述固体的动量平衡方程为
12、步骤1)中所述单相牛顿流体的流体质量守恒方程为
13、步骤1)中所述达西定律为
14、步骤3)中所述孔隙弹性力学的biot理论为ζ＝bεv+m-1δp。
15、步骤5)中所述简化模型为：
16、
17、coupled with the interface conditions onγ
18、onγ，
19、and with the boundary conditions onand
20、
21、步骤7)具体为：
22、相比于现有技术，本专利技术的优点在于：本专利技术选择扩展有限单元法(xfem)来处理断层两侧岩层变形和流体流动的非连续性，其中包括应力、位移、流体压力和流体速度等各变量的非连续性。
23、本专利技术运用孔隙弹性力学的biot理论来研究围岩孔隙介质中流体流动和固体变形的流固耦合相互作用。
24、因为流体流动和孔隙固体流固耦合的统一计算非常耗费运算量，本专利技术采用fixed-stress split方法来计算相应的流固耦合问题，在这个方法中，流固耦合问题被分解为流体问题和固体变形问题，首先通过固定总的固体应力场来计算介质中的流体流动问题，然后应用流体流动问题的计算结果来计算固体变形问题。
25、本专利技术将断层视作一个零厚度界面的同时，运用一个简化模型来考虑作为破碎带的断层中流体流动的水力学行为。
26、本专利技术通过采用nitsche方法来解决断层活动时断层结构的动态耦合问题。
27、本专利技术应用rate-and state-dependent摩擦模型(粘滑模型)来计算断层界面的摩擦特性。
28、综上，本专利技术能够用于分析振动载荷会不会引起前方含水断层活动失稳诱发突水事故，可用煤矿开采、隧道掘进等工业领域，能够分析各种倾角的曲面断层，断层活动按粘滑来做，充分考虑了断层活动时断层作为破碎带中渗透率等水力学参数的变化，相较于以往的程序，本专利技术能够在计算量很小的情况下做曲面断层的活动，大大降低了计算能耗、提高了计算效率，解决了以往程序难以解决的技术难题。
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1.一种基于扩展有限元的分析振动载荷对前方含水断层稳定性影响的数值模拟方法，其特征在于步骤包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于扩展有限元的分析振动载荷对前方含水断层稳定性影响的数值模拟方法，其特征在于步骤1)中所述固体的动量平衡方程为
3.根据权利要求1所述的一种基于扩展有限元的分析振动载荷对前方含水断层稳定性影响的数值模拟方法，其特征在于步骤1)中所述单相牛顿流体的流体质量守恒方程为
4.根据权利要求1所述的一种基于扩展有限元的分析振动载荷对前方含水断层稳定性影响的数值模拟方法，其特征在于步骤1)中所述达西定律为
5.根据权利要求1所述的一种基于扩展有限元的分析振动载荷对前方含水断层稳定性影响的数值模拟方法，其特征在于步骤3)中所述孔隙弹性力学的Biot理论为ζ＝bεv+M-1δp。
6.根据权利要求1所述的一种基于扩展有限元的分析振动载荷对前方含水断层稳定性影响的数值模拟方法，其特征在于步骤5)中所述简化模型为：
7.根据权利要求1所述的一种基于扩展有限元的分析振动载荷对前方含水断层稳定性影响的数值模
...【技术特征摘要】
1.一种基于扩展有限元的分析振动载荷对前方含水断层稳定性影响的数值模拟方法，其特征在于步骤包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于扩展有限元的分析振动载荷对前方含水断层稳定性影响的数值模拟方法，其特征在于步骤1)中所述固体的动量平衡方程为
3.根据权利要求1所述的一种基于扩展有限元的分析振动载荷对前方含水断层稳定性影响的数值模拟方法，其特征在于步骤1)中所述单相牛顿流体的流体质量守恒方程为
4.根据权利要求1所述的一种基于扩展有限元的分析振动载荷对前方含水断层稳定性影响的数...
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