[發明專利]考慮膜效應的巖土體三軸試驗的離散元建模及數值模擬方法

在審

• 申請號: 201710636809.7
• 申請日: 2017-07-31
• 公開（公告）號: CN107330227A
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 發明（設計）人: 劉春;張曉宇;樂天呈;施斌;張丹;顧穎凡;朱晨光
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 向妮

1.一種考慮膜效應的巖土體三軸試驗的離散元建模方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1、構建和制樣容器直徑相同的單層圓形頂板、底板，以及內徑和制樣容器直徑相同的剛性圓筒，以完成制樣容器的建模；

S2、在制樣容器模型內生成巖土體顆粒樣品，作為構建巖土體樣品的樣品單元不斷沉積至指定高度，以形成目標尺寸的巖土體樣品；

S3、將給定的樣品單元的材料屬性賦給所生成的巖土體樣品，然后平衡樣品單元間的受力，以完成巖土體樣品的建模；

S4、構建彈性膜，并將步驟S1所形成的制樣容器模型的剛性圓筒替換為構建好的彈性膜，然后給彈性膜設置相應的材料屬性，至此完成三軸試驗離散元模型的建立。

2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S1中，采用團簇模型構建制樣容器模型頂板、底板和剛性圓筒。

3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S2包括以下步驟：

S21、在頂板、底板和剛性圓筒圍成的空間內采用隨機法生成粒徑在指定粒徑分布范圍內的巖土體顆粒樣品；

S22、對顆粒樣品施加隨機方向的初速度，通過離散元迭代運算使顆粒樣品運動和碰撞至隨機位置；

S23、對顆粒樣品施加重力加速度g，通過離散元迭代運算，使顆粒樣品自由堆積，制樣容器的底板固定，頂板自由且在重力作用下與顆粒樣品一同下落，以壓平顆粒樣品堆積體表面，直至壓到指定高度后巖土體樣品建模初步完成。

4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S3中，平衡巖土體樣品單元間的受力后，根據模擬的巖土體樣品是否存在初始膠結確定是否膠結樣品單元。

5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S4中，采用團簇模型構建彈性膜。

6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，采用團簇模型構建彈性膜包括以下步驟：

S41、將一層呈正方形網格狀排列的彈性膜單元緊密堆積形成彈性膜，彈性膜的兩端固定在頂板和底板上，以限制頂板和底板處的彈性膜的沿水平方向運動。

S42、設置彈性膜的材料屬性；

S43、通過迭代運算平衡彈性膜單元間的受力，至此完成彈性膜的構建。

7.一種考慮膜效應的巖土體三軸試驗的數值模擬方法，其特征在于，基于如權利要求1至6任意一項所述的三軸試驗離散元模型進行數值模擬，根據給定的加壓條件，采用應力式加載對巖土體樣品進行軸向施壓，通過水壓力對巖土體樣品施加側向圍壓。

8.如權利要求7所述的試驗方法，其特征在于，采用應力式加載是通過改變頂板的重力對每一級加載，每級位移小于最小樣品單元的直徑，且每級加載后均要再次平衡模型內部應力。

9.如權利要求7所述的方法，其特征在于，通過水壓力對巖土體樣品施加側向圍壓是指，將水壓力均勻的施加到每個彈性膜單元上以施加給定的圍壓，即將圍壓等效成膜單元受力，且每次施加圍壓后需再次平衡模型內部應力。

10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，計算數值模擬時彈性膜單元的受力包括如下步驟：

S51、對彈性膜進行網格劃分，將彈性膜的面積賦給每個網格所對應的彈性膜單元；

S52、將劃分后的每個網格上所受的圍壓等效到各網格中心所對應的彈性膜單元上，并計算得到每個彈性膜單元所對應的壓力。