背景技術(shù)：

1、地面沉降是地表高程損失的地質(zhì)現(xiàn)象，特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件下，差異性地面沉降將演變成地裂縫，對現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施、線性軌道交通和地下空間開發(fā)利用造成嚴重威脅，制約著經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展。地面沉降-地裂縫的演化發(fā)展受到多種因素綜合作用，地質(zhì)構(gòu)造、土體巖性、地下水開采等的差異造成不同的地面沉降演化特征和機制。了解地面沉降的演化、地裂縫的萌生和擴展機制對于風(fēng)險管理和地下資源的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

2、數(shù)值模擬方法是研究地面沉降-地裂縫演化發(fā)展過程的重要手段，現(xiàn)有的地裂縫模擬方法主要是以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論為基礎(chǔ)的有限單元法和有限差分法等。然而地面沉降災(zāi)變成地裂縫的過程是非線性不連續(xù)時間-空間問題，上述方法存在連續(xù)理論與不連續(xù)實際之間的矛盾。此外，采用非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論時，例如離散元法、界面元法和擴展有限元法，一方面需要預(yù)先知道裂紋是否存在及其位置和尺寸，另一方面在裂紋擴展后須重新劃分網(wǎng)格或者通過引入附加函數(shù)來描述不連續(xù)問題，難以實現(xiàn)復(fù)雜裂紋的自動準確模擬。

3、近場動力學(xué)基于非局部作用思想，通過求解可應(yīng)用于不連續(xù)體的空間積分方程描述物質(zhì)力學(xué)行為。近場動力學(xué)方法對于從連續(xù)到非連續(xù)、微觀到宏觀的力學(xué)行為具有統(tǒng)一的表述，具有無網(wǎng)格屬性和求解不連續(xù)問題的功能，在分析不連續(xù)、多尺度等問題時展現(xiàn)出較高的適用性和可靠性，能夠用于研究均質(zhì)與非均質(zhì)目標體的形變、損傷、斷裂和失穩(wěn)，模擬裂紋萌生、擴展直至結(jié)構(gòu)破壞的全過程。當前近場動力學(xué)在地面沉降鄰域的應(yīng)用極少，尚未形成完善的框架體系，且現(xiàn)有技術(shù)存在兩個缺點：地表形變數(shù)值求解策略為顯式時間積分，難以為視作準靜態(tài)條件的地面沉降-地裂縫演化問題提供穩(wěn)定的解；基于應(yīng)變的摩爾庫倫破壞準則需要預(yù)先了解案例區(qū)的多種地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，不具備普適性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

2、根據(jù)本發(fā)明第一方面，提供了一種基于近場動力學(xué)的地表形變演化數(shù)值模擬方法，所述方法包括如下步驟：

3、s100，將需要計算的地質(zhì)體模型離散為n1個物質(zhì)點，得到對應(yīng)的物質(zhì)點信息，并在所述地質(zhì)體模型的外側(cè)設(shè)置具有預(yù)設(shè)厚度h的虛擬邊界層，并將虛擬邊界層離散為n2個物質(zhì)點，得到包含n1+n2個物質(zhì)點的初始地質(zhì)體模型；所述物質(zhì)點信息至少包括物質(zhì)點的編號、坐標和材料參數(shù)。

4、s200，在所述虛擬邊界層上施加對應(yīng)的邊界條件，并獲取所述初始地質(zhì)體模型中的每個物質(zhì)點的鄰域，其中，任一物質(zhì)點和其對應(yīng)的鄰域中的任一鄰域物質(zhì)點之間的距離小于設(shè)定距離d0。

5、s300，基于物質(zhì)點在當前時間步的孔隙水壓力變化獲取物質(zhì)點在當前時間步所受到的內(nèi)力，作為物質(zhì)點在當前時間步的受力。

6、s400，基于物質(zhì)點在當前時間步的受力，利用自適應(yīng)動力松弛法獲取物質(zhì)點在當前時間步的位移。

7、s500，基于物質(zhì)點在當前時間步的位移，獲取物質(zhì)點在當前時間步的應(yīng)力。

8、s600，基于獲取的物質(zhì)點在當前時間步的應(yīng)力判斷虛擬鍵的斷裂情況，獲取物質(zhì)點在當前時間步的局部損傷值；如果當前時間步等于預(yù)設(shè)時間步閾值，退出當前控制程序，否則，執(zhí)行s300。

9、根據(jù)本發(fā)明第二方面，提供了一種基于近場動力學(xué)的地表形變演化數(shù)值模擬裝置，所述裝置包括：

10、初始地質(zhì)體模型獲取模塊，用于將需要計算的地質(zhì)體模型離散為n1個物質(zhì)點，得到對應(yīng)的物質(zhì)點信息，并在所述地質(zhì)體模型的外側(cè)設(shè)置具有預(yù)設(shè)厚度h的虛擬邊界層，并將虛擬邊界層離散為n2個物質(zhì)點，得到包含n1+n2個物質(zhì)點的初始地質(zhì)體模型；所述物質(zhì)點信息至少包括物質(zhì)點的編號、坐標和材料參數(shù)。

11、物質(zhì)點鄰域獲取模塊，用于在所述虛擬邊界層上施加對應(yīng)的邊界條件，并獲取所述初始地質(zhì)體模型中的每個物質(zhì)點的鄰域，其中，任一物質(zhì)點和其對應(yīng)的鄰域中的任一鄰域物質(zhì)點之間的距離小于設(shè)定距離d0。

12、物質(zhì)點受力獲取模塊，用于基于物質(zhì)點在當前時間步的孔隙水壓力變化獲取物質(zhì)點在當前時間步所受到的內(nèi)力，作為物質(zhì)點在當前時間步的受力。

13、物質(zhì)點位移獲取模塊，用于基于物質(zhì)點在當前時間步的受力，利用自適應(yīng)動力松弛法獲取物質(zhì)點在當前時間步的位移。

14、物質(zhì)點應(yīng)力獲取模塊，用于基于物質(zhì)點在當前時間步的位移，獲取物質(zhì)點在當前時間步的應(yīng)力。

15、物質(zhì)點局部損傷值獲取模塊，用于基于物質(zhì)點在當前時間步的應(yīng)力，利用摩爾庫倫破壞準則判斷虛擬鍵的斷裂情況，獲取物質(zhì)點在當前時間步的局部損傷值。

16、本發(fā)明至少具有以下有益效果：

17、本發(fā)明實施例提供的一種基于近場動力學(xué)的地表形變演化數(shù)值模擬方法和裝置，通過將地質(zhì)體模型離散為空間中一系列帶有材料物理力學(xué)信息的物質(zhì)點，將地下水對土體的作用力作為模型的動力來源，基于非局部作用思想建立積分形式的平衡方程，并結(jié)合自適應(yīng)動力松弛法和基于應(yīng)力的摩爾庫倫破壞準則，實現(xiàn)地下水開采引起的地表形變演化過程有效模擬，能夠揭示地面沉降災(zāi)變?yōu)榈亓芽p的物理機制，至少能夠解決當前基于連續(xù)介質(zhì)理論和不連續(xù)介質(zhì)理論難以自動準確地模擬地面沉降災(zāi)變?yōu)榈亓芽p的過程、無法揭示地面沉降-地裂縫演化機制的問題以及當前基于近場動力學(xué)的地面沉降-地裂縫數(shù)值模擬中存在的不穩(wěn)定性和非普適性問題。

18、應(yīng)當理解，本部分所描述的內(nèi)容并非旨在標識本發(fā)明的實施例的關(guān)鍵或重要特征，也不用于限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的其它特征將通過以下的說明書而變得容易理解。

技術(shù)特征：

1.一種基于近場動力學(xué)的地表形變演化數(shù)值模擬方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，d0＝f×△d，f為大于1的預(yù)設(shè)值，△d為所述初始地質(zhì)體模型中相鄰兩個物質(zhì)點之間的間距。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，任一物質(zhì)點和該物質(zhì)點對應(yīng)的鄰域中的任一鄰域物質(zhì)點之間的相互作用關(guān)系用虛擬鍵表示；

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，eij＝||(xj0+xjc)-(xi0+xic)||-||xj0-xi0||，eijd＝eij-(θi×||xj0-xi0||)/3，其中，xic為物質(zhì)點i的位移，xjc為第j個鄰域物質(zhì)點的位移；

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在s400中，物質(zhì)點在第u時間步的位移xu滿足如下條件：

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在s500中，任一物質(zhì)點i的應(yīng)力張量si滿足如下條件：

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于獲取的物質(zhì)點的應(yīng)力，利用摩爾庫倫破壞準則判斷虛擬鍵的斷裂情況，獲取物質(zhì)點的局部損傷值，包括如下步驟：

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述虛擬邊界層包括位于地質(zhì)體模型的左右側(cè)的左虛擬邊界層和右虛擬邊界層、位于地質(zhì)體模型的前后側(cè)的前虛擬邊界層和后虛擬邊界層，以及位于地質(zhì)體模型的下側(cè)的下虛擬邊界層；

9.一種基于近場動力學(xué)的地表形變演化數(shù)值模擬裝置，其特征在于，所述裝置包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種基于近場動力學(xué)的地表形變演化數(shù)值模擬方法，包括：將需要計算的地質(zhì)體模型和虛擬邊界層離散為多個物質(zhì)點，得到初始地質(zhì)體模型；獲取初始地質(zhì)體模型中的每個物質(zhì)點的鄰域；基于物質(zhì)點在當前時間步的孔隙水壓力變化獲取物質(zhì)點在當前時間步所受到的內(nèi)力，作為物質(zhì)點在當前時間步的受力；基于物質(zhì)點在當前時間步的受力，利用自適應(yīng)動力松弛法獲取物質(zhì)點在當前時間步的位移；基于物質(zhì)點在當前時間步的位移，獲取物質(zhì)點在當前時間步的應(yīng)力；基于物質(zhì)點在當前時間步的應(yīng)力，利用摩爾庫倫破壞準則判斷虛擬鍵的斷裂情況，獲取物質(zhì)點在當前時間步的局部損傷值。本發(fā)明提供另一種能夠揭示地面沉降災(zāi)變?yōu)榈亓芽p的物理機制的方案。

技術(shù)研發(fā)人員：朱琳,葉淼,宮輝力,李江濤,李小娟
受保護的技術(shù)使用者：首都師范大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19