[發明專利]一種基于LBM-DDA耦合的堆積體滲流侵蝕破壞模擬計算方法

有效

• 申請號: 202110578213.2
• 申請日: 2021-05-26
• 公開（公告）號: CN113268874B
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發明（設計）人: 黃達;孟秋杰;宋宜祥;岑奪豐;鐘助
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙) 12210
• 代理人: 王瑞

本發明公開了一種基于LBM?DDA耦合的堆積體滲流侵蝕破壞模擬計算方法，包括輸入LBM流場個DDA塊體，得到LBM?DDA流固耦合模型；計算DDA塊體對LBM流場的單向作用；計算LBM流場動量；計算LBM流場作用于DDA塊體的流體曳力；DDA塊體的接觸搜索；計算DDA塊體的大位移和大變形；判斷是否到達最大計算時間，若達到，得到滲流侵蝕破壞的數值模擬結果。本發明以LBM方法為流體計算部分，DDA方法作為固體動力計算部分，實現了基于LBM與DDA方法的堆積體滲流侵蝕破壞流固耦合的處理和求解，更真實地模擬堆積體滲流破壞水?力耦合作用機制。

技術領域

本發明屬于流體與巖土體相互作用的流固耦合數值仿真領域，具體是一種基于LBM-DDA耦合的堆積體滲流侵蝕破壞模擬計算方法。

背景技術

由基巖、古滑坡、現代崩滑體和第四系沉積體等組合形成的礫石夾土地質體，稱為堆積體。其物質結構雜亂無章、缺乏有機質，且具有分選性差、粒間結合力差、強滲透性等特點，在降雨的滲流作用下，內部較細的土石塊體極易發生侵蝕。隨著細塊體的侵蝕，堆積體將發生整體變形和沉降，直至破壞，進而引發滑坡、泥石流、崩塌等地質災害，嚴重威脅人類的生命以及建筑物的安全。然而，堆積體廣泛存在。據統計，大型地質災害多數是由降雨引發。因此，研究堆積體的滲流侵蝕破壞對于評價邊坡的穩定性，研究邊坡失穩機理具有十分重要的意義。

在降雨沿堆積體的裂隙向土體內部滲流的過程中，其入滲規律會發生顯著的改變。但由于堆積體裂隙形態各異，且裂隙對邊坡入滲的影響仍未知，所以降雨在堆積體中的入滲機理仍需要進一步探索。當侵蝕破壞發生時，堆積體中的大尺寸石塊僅起骨架作用，細土石塊體的受侵蝕程度才是改變其滲透性和穩定性的關鍵，故降雨入滲作用下，堆積體的侵蝕破壞需要從更細觀的角度進行研究。

為研究堆積體中的細土石塊體在水力侵蝕作用下的遷移機制，探討細土石塊體與飽水孔隙間的流體動力學相互作用機理，研究者們往往采用實驗和數值模擬計算的方法。滲流侵蝕實驗研究能提供大量寶貴的研究資料，但堆積體中的粗塊體形狀與尺寸各異，滲流場的孔隙結構十分復雜，物理建模難度較大。又由于物理實驗受尺寸限制，實驗結果往往受尺寸效應影響，不能夠直接應用于工程實際。相比之下，數值模擬方法研究周期短、研究效率高，且可復制性強、監測更全面。將數值方法引入堆積體滲流侵蝕破壞的機理研究中，可以較為直觀的研究雨水在裂隙中的入滲過程，研究復雜裂隙中的孔隙水壓力變化；可以對堆積體內部細微土石塊體進行實時追蹤，研究內部侵蝕對堆積體微觀結構改變以及由此導致的強度改變。因此，采用數值模擬研究滲流侵蝕破壞有較大的優勢。

作為一種復雜的散體材料，堆積體在細觀結構上具有非連續、各向異性、孔隙結構隨機等特點，不能簡單作為連續介質來考慮。而基于非連續介質力學的DDA(DiscontinuousDeformation Analysis，非連續變形分析)方法可以有效地模擬非連續介質在復雜載荷作用下的力學行為，其分析單元可以被接觸邊界如節理、裂隙等切割成任意多邊形塊體，并以單元的剛體平動、轉動及單元自身變形為基本未知量，基于一套高效的接觸搜索方法，可以得到塊體系統中任意可能的接觸形式，可以真實地反應細觀塊體之間的相互作用，對于模擬細塊體的侵蝕具有特殊優勢。LBM(Lattice Boltzmann Method，格子玻爾茲曼方法)非常適用于復雜的幾何結構，可以很好的解決復雜裂隙建模困難的問題。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明擬解決的技術問題是，提供一種基于LBM-DDA耦合的堆積體滲流侵蝕破壞模擬計算方法。

本發明解決所述技術問題的技術方案是，提供一種基于LBM-DDA耦合的堆積體滲流侵蝕破壞模擬計算方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

步驟1、將流場劃分為歐拉網格，并設定歐拉網格中的初始參數，得到LBM流場；根據所要模擬的堆積體塊體的級配，編程生成代表堆積體塊體幾何形狀的塊體，并隨機選擇產生位置，塊體邊界區域內的網格設為拉格朗日網格，定義塊體的接觸參數，得到DDA塊體；進而得到LBM-DDA流固耦合模型；