[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

技術領域

本發明涉及巖土體室內常規三軸試驗的模擬方法，尤其是三維離散元建模和模擬。

背景技術

常規三軸試驗是土工試驗中非常基本且重要的實驗，它的設備簡單，操作方便，可以很好地研究巖土體的受力變形特征，獲得一些可靠的強度參數如抗剪強度。然而室內試驗耗時長，數據往往具有很大離散性，對于復雜宏觀現象，其微觀機制很難揭示。數值模擬是一種很好地揭示三軸試驗微觀機制的手段，離散元法自提出以來，由于其對非連續介質較好的模擬能力，能清晰反映顆粒材料微觀變形機制等優點，迅速被引入對巖土體材料的研究中。

三軸試驗模擬時，在模擬裝置底座、不透水石等組件時，常規離散元模型的邊緣較為粗糙，使得其表面總體摩擦力較大，難以有效模擬。邊界條件的施加尤其重要。在施加側向圍壓時，室內試驗通常采用液體施加恒定壓力，即給樣品外部套上一層乳膠膜。

三軸試驗離散元模擬中，在模擬側向恒定圍壓時，通常的做法是采用伺服控制系統控制的剛性板，這種方法操作復雜，雖然可以控制側向圍壓恒定，然而會抑制側向的大變形，使得模擬結果有一定的誤差，且在設置加載板時，為了避免邊界之間的相互作用，總要留出一點空隙。

發明內容

為解決上述問題，本方法采用團簇模型來構建三軸試驗模擬器的底板裝置，并提出一種三維情況下彈性膜的模擬方法。

該方法主要是用單層方形網格狀排列的球形顆粒模擬彈性膜。膜的兩端固定在頂、底板上。采用團簇模型使膜單元更加緊密。在數值模擬過程中，忽略底板與膜的相互作用。由此建立起可以模擬彈性膜邊界條件下三維三軸試驗模擬裝置。

本發明所公開的考慮膜效應的巖土體三軸試驗的離散元建模方法，包括如下步驟：

S1、制樣容器由頂板、底板及剛性圓筒組成，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、將給定的巖土體樣品單元的材料屬性賦給所生成的巖土體樣品，然后平衡巖土體樣品單元間的受力，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中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地材料屬性，至此完成三軸試驗離散元模型的建立。

作為一種優選方案，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。

作為一種優選方案，步驟S3中，平衡巖土體樣品單元間的受力后，根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。

作為一種優選方案，步驟S2包括以下步驟：

21、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；

22、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；

23、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。

作為一種優選方案，步驟S4中，采用團簇模型構建彈性膜。

作為一種優選方案，采用團簇模型構建彈性膜包括以下步驟：

41、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，即限制頂板和底板處的彈性膜單元水平方向的運動。

42、設置彈性膜的材料屬性；

43、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。

作為一種優選方案，步驟S4中，限制頂板和底板處的彈性膜的沿水平方向運動。彈性膜的兩端分別固定在頂板和底板上，以限制固定在頂板和底板上的彈性膜沿水平方向的運動，僅允許其沿豎直方向運動。

本發明還公開一種考慮膜效應的巖土體三軸試驗的數值模擬方法，該方法基于具有上述特征的任意一種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。

作為一種優選方案，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。