無粘性土各向異性力學特性微觀機理數值模擬方法
【專利摘要】本發明采用顆粒離散元單元方法，開發水平加荷程序和微觀力學參數監測程序，給出一種從微觀角度研究土體各向異性力學特性的思路和方法：（1）根據室內試驗獲取無粘性土的應力應變曲線和相關力學參數；（2）根據（1）中顆粒流雙軸試驗確定的細觀力學參數，建立平面雙軸試樣，對土體的原生各向異性進行模擬；（3）根據（1）中顆粒流雙軸試驗確定的細觀力學參數，建立平面雙軸試樣，對土體的應力各向異性進行模擬；（4）對比分析土體原生各向異性和應力各向異性的表現規律，得出兩種各向異性的區別與聯系，并找出土體兩種各向異性產生的微觀機理。本發明憑借顆粒流離散元法的在在散粒材料微觀結構方面研究的優點，為無粘性土各向異性力學特性的數值模擬提供了新的研究思路。
【專利說明】無粘性土各向異性力學特性微觀機理數值模擬方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于巖土力學研宄領域，是憑借顆粒流離散元方法在微觀結構和微觀力學 機制研宄方面
[0002] 的優勢，來探討無粘性土這種散粒材料宏觀力學特性各向異性的微觀機理的數值 模擬方法。
【背景技術】
[0003] -方面，在工程實踐中，土體的應力路徑是復雜多變的，由于加荷方式引起的各向 異性的工程問題大量存在，如深、大型基坑的開挖和支護導致的應力狀態的改變；真空預壓 方法抽、卸真空所引起的小主應力的改變；高土石壩蓄水導致的內部單元應力狀態的變化 等，許多工程實例也證明不考慮后期加荷方式引起的各向異性的計算方法是不完善的；另 一方面，現有室內試驗手段有限，雖然室內真三軸試驗也能實現從不同方向加荷，但是考慮 到室內試驗的成本較高，可重復性較難，更重要的是室內真三軸試驗，無法在得到土體宏觀 各向異性力學特性的同時，給出無粘性土這種散粒材料自身微觀結構和微觀力學機制的變 化規律，無法找出宏觀與微觀之間的關系。
[0004] 雖然目前已有不少專家和學者通過顆粒流離散單元法對土體的力學特性進行了 模擬和研宄，但是很少集中在土體應力各向異性的研宄方面上，而且現有的少量關于土體 各向異性的研宄，大多是按與試樣沉積面的不同角度（如0度代表豎直，90度代表水平）切 取試樣，導致組成切取后試樣的顆粒單元發生了變化，即用來從不同方向上加載的試樣的 組成成份不完全相同，而且這些研宄也主要是針對原生各向異性的模擬。
【發明內容】
[0005] 鑒于目前對無粘性土各向異性力學特性方面研宄成果的缺乏，以及無法從微觀角 度研宄土體各宏觀各向異性力學特性的情況，本發明采用顆粒離散元單元方法，開發水平 加荷程序和微觀力學參數監測程序，給出一種從微觀角度研宄土體各向異性力學特性的思 路和方法，在得出無粘性土各向異性力學特性表現規律的基礎上，研宄其形成的微觀機理。
[0006] 如圖1-圖5所示，一種無粘性土應力各向異性的數值模擬方法，流程圖如圖1，其 具體步驟如下： (1)根據室內試驗獲取無粘性土的應力應變曲線和相關力學參數；
[0007] (1. 1)收集室內試驗曲線，得到土體的應力應變曲線和泊松比曲線，以及相關力學 參數；
[0008] (1. 2)建立顆粒流離散元數值模型，進行參數標定，根據室內試驗獲取試樣的細觀 力學參數（如：顆粒大小，摩擦系數，法向剛度，法切向剛度比值等）使數值模型的宏觀應力 應變力學特性與室內試驗的結果在盡可能的吻合，以保證數值模擬的結果能夠對實際工程 具有一定的指導意義；
[0009] (2)根據⑴中顆粒流雙軸試驗確定的細觀力學參數，建立平面雙軸試樣，對土體 的原生各向異性進行模擬；
[0010] (2. 1)生成四面墻體，然后在墻體所圍區域內以一較大孔隙率生成顆粒集合體，給 顆粒單元定義微觀參數，然后給顆粒單元施加重力，使顆粒在重力作用下發生沉積，沉積到 一定步數后停止，撤去重力方向上的墻體，在新的位置生成墻體，使生成后的試樣為正方形 試樣，試樣生成過程如圖1 ;
[0011] (2. 2)為了模擬重力沉積趨勢對力學特性的影響，按（2. 1)中方法并給定三種不 同的重力沉積步數生成三組試樣，其中每組試樣由兩個完全相同的試樣組成，雙軸試驗裝 置如圖1，試樣生成過程如圖2;
[0012] (2. 3)按重力沉積法生成試樣后，需要對試樣施加一個較小的各向同性初始應力， 以保證試樣與新生成的墻體間接觸均勻，然后對以上三組試樣進行加載，其中，每組試樣中 的兩個試樣，一個平行重力沉積方向加載，一個垂直重力沉積方向加載，加載方式如圖3 ;
[0013] (2.4)得到每組試樣的應力應變曲線，并取當加載方向應變為1%時的應力應變 值，計算初始彈模、泊松比和應力應變曲線上的的應力峰值，初始彈模和泊松比定義為：
【權利要求】
1. 一種無粘性土各向異性力學特性微觀機理數值模擬方法，其具體步驟如下： (1) 根據室內試驗獲取無粘性土的應力應變曲線和相關力學參數； (1. 1)收集室內試驗曲線，得到土體的應力應變曲線和泊松比曲線，以及相關力學參 數； (1. 2)建立顆粒流離散元數值模型，進行參數標定，根據室內試驗獲取試樣的細觀力學 參數，使數值模型的宏觀應力應變力學特性與室內試驗的結果在盡可能的吻合； (2) 根據（1)中顆粒流雙軸試驗確定的細觀力學參數，建立平面雙軸試樣，對土體的原 生各向異性進行模擬； (2. 1)生成四面墻體，然后在墻體所圍區域內以2倍于試樣最終孔隙率的孔隙率生成 顆粒集合體，給顆粒單元定義微觀參數，然后給顆粒單元施加重力，使顆粒在重力作用下發 生沉積，直到試樣達到最終孔隙率后，撤去重力方向上的墻體，在新的位置生成墻體，使生 成后的試樣為正方形試樣； (2.2) 為了模擬重力沉積趨勢對力學特性的影響，按（2.1)中方法并給定三種不同的 重力沉積步數生成三組試樣，其中每組試樣由兩個完全相同的試樣組成； (2.3) 按重力沉積法生成試樣后，需要對試樣施加一個較小的各向同性初始應力，這 個初始應力既要能保證試樣與新生成的墻體間接觸均勻，又不能對試樣內部結構產生較大 影響.然后對以上三組試樣進行加載，其中，每組試樣中的兩個試樣，一個平行重力沉積方 向加載，一個垂直重力沉積方向加載； (2.4) 得到每組試樣的應力應變曲線，并取當加載方向應變為1 %時的應力應變值，計 算初始彈模、泊松比和應力應變曲線上的的應力峰值，初始彈模和泊松比定義為：
Etl:初始彈模；△ ε :初始應變增量（當總應變增量小于〇. 〇1時，施加應力增量產生 的應變增量）；△ σ :應力增量；V(l:泊松比；△ ε ν:體積應變增量；△ ε :加載方向應變增 量。 (2. 5)比較每一組試樣中的兩個試樣的力學特性曲線以及力學參數，得出原生各向異 性的規律，進一步比較不同重力沉積趨勢下，原生各向異性的發展趨勢和規律； (2. 6)試樣加載過程中，編寫程序記錄微觀參數的變化如顆粒單元長軸定向的變化，顆 粒間接觸力大小和分布的變化以及顆粒間平均配位數的變化； (2. 7)分析每一組試樣中的兩個試樣的微觀參數的變化規律，然后將三組試樣的微觀 參數變化規律進行對比分析，得出結論； (2. 8)將土體宏觀力學特性的表現和變化規律與其微觀參數的變化規律進行比較分 析，得出土體宏觀各向異性力學特性的微觀機理； ⑶根據⑴中顆粒流雙軸試驗確定的細觀力學參數，建立平面雙軸試樣，對土體的應 力各向異性進行模擬； (3. 1)生成四面墻體，然后在墻體所圍區域內以2倍于試樣最終孔隙率的孔隙率生成 顆粒集合體生成顆粒集合體，給顆粒單元定義微觀參數，讓顆粒進行循環，使顆粒集合體達 到平衡狀態； (3. 2)，按（3. 1)中方法生成3組試樣，每組試樣包含兩個，然后分別從水平和豎直方向 上對每組試樣施加不等向初始應力，為了研宄土體所受初始應力狀態對其力學特性的影響 及變化規律，每組試樣所受的初始應力狀態不能相同，3組試樣在水平和豎直方向上所受初 始應力的差異逐漸增大，但是每組試樣中的兩個試樣所受初始應力保證完全相同； (3. 3)對以上三組試樣進行加載，其中，每組試樣中的兩個試樣，一個沿大主應力方向 加載，一個沿小主應力方向加載； (3.4)得到每組試樣的應力應變曲線，并取當加載方向應變為1 %時的應力應變值，計 算初始彈模、泊松比和應力應變曲線上的的應力峰值； (3. 5)比較每一組試樣中的兩個試樣的力學特性曲線以及力學參數，得出原生各向異 性的規律，進一步比較不同重力沉積趨勢下，原生各向異性的發展趨勢和規律； (3. 6)試樣加載過程中，編寫程序記錄微觀參數的變化如顆粒單元長軸定向的變化，顆 粒間接觸力大小和分布的變化以及顆粒間平均配位數的變化； (3. 7)分析每一組試樣中的兩個試樣的微觀參數的變化規律，然后將三組試樣的微觀 參數變化規律進行對比分析，得出結論； (3. 8)將土體宏觀力學特性的表現和變化規律與其微觀參數的變化規律進行比較分 析，得出土體宏觀應力各向異性力學特性的微觀機理； (4)對比分析土體原生各向異性和應力各向異性的表現規律，得出兩種各向異性的區 別與聯系，并找出土體兩種各向異性產生的微觀機理。
【文檔編號】G06F17/50GK104517006SQ201410599055
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年10月30日 優先權日:2014年10月30日
【發明者】張坤勇, 羅興軍, 鐘思成, 王耀 申請人:河海大學