无粘性土各向异性力学特性微观机理数值模拟方法

摘要

本发明采用颗粒离散元单元方法，开发水平加荷程序和微观力学参数监测程序，给出一种从微观角度研究土体各向异性力学特性的思路和方法：（1）根据室内试验获取无粘性土的应力应变曲线和相关力学参数；（2）根据（1）中颗粒流双轴试验确定的细观力学参数，建立平面双轴试样，对土体的原生各向异性进行模拟；（3）根据（1）中颗粒流双轴试验确定的细观力学参数，建立平面双轴试样，对土体的应力各向异性进行模拟；（4）对比分析土体原生各向异性和应力各向异性的表现规律，得出两种各向异性的区别与联系，并找出土体两种各向异性产生的微观机理。本发明凭借颗粒流离散元法的在在散粒材料微观结构方面研究的优点，为无粘性土各向异性力学特性的数值模拟提供了新的研究思路。

说明书

技术领域

本发明属于岩土力学研究领域，是凭借颗粒流离散元方法在微观结构和微观力学机制研究方面

的优势，来探讨无粘性土这种散粒材料宏观力学特性各向异性的微观机理的数值模拟方法。

背景技术

一方面，在工程实践中，土体的应力路径是复杂多变的，由于加荷方式引起的各向异性的工程问题大量存在，如深、大型基坑的开挖和支护导致的应力状态的改变；真空预压方法抽、卸真空所引起的小主应力的改变；高土石坝蓄水导致的内部单元应力状态的变化等，许多工程实例也证明不考虑后期加荷方式引起的各向异性的计算方法是不完善的；另一方面，现有室内试验手段有限，虽然室内真三轴试验也能实现从不同方向加荷，但是考虑到室内试验的成本较高，可重复性较难，更重要的是室内真三轴试验，无法在得到土体宏观各向异性力学特性的同时，给出无粘性土这种散粒材料自身微观结构和微观力学机制的变化规律，无法找出宏观与微观之间的关系。

虽然目前已有不少专家和学者通过颗粒流离散单元法对土体的力学特性进行了模拟和研究，但是很少集中在土体应力各向异性的研究方面上，而且现有的少量关于土体各向异性的研究，大多是按与试样沉积面的不同角度(如0度代表竖直，90度代表水平)切取试样，导致组成切取后试样的颗粒单元发生了变化，即用来从不同方向上加载的试样的组成成份不完全相同，而且这些研究也主要是针对原生各向异性的模拟。

发明内容

鉴于目前对无粘性土各向异性力学特性方面研究成果的缺乏，以及无法从微观角度研究土体各宏观各向异性力学特性的情况，本发明采用颗粒离散元单元方法，开发水平加荷程序和微观力学参数监测程序，给出一种从微观角度研究土体各向异性力学特性的思路和方法，在得出无粘性土各向异性力学特性表现规律的基础上，研究其形成的微观机理。

如图1-图5所示，一种无粘性土应力各向异性的数值模拟方法，流程图如图1，其具体步骤如下：

(1)根据室内试验获取无粘性土的应力应变曲线和相关力学参数；

(1.1)收集室内试验曲线，得到土体的应力应变曲线和泊松比曲线，以及相关力学参数；

(1.2)建立颗粒流离散元数值模型，进行参数标定，根据室内试验获取试样的细观力学参数(如：颗粒大小，摩擦系数，法向刚度，法切向刚度比值等)使数值模型的宏观应力应变力学特性与室内试验的结果在尽可能的吻合，以保证数值模拟的结果能够对实际工程具有一定的指导意义；

(2)根据(1)中颗粒流双轴试验确定的细观力学参数，建立平面双轴试样，对土体的原生各向异性进行模拟；

(2.1)生成四面墙体，然后在墙体所围区域内以一较大孔隙率生成颗粒集合体，给颗粒单元定义微观参数，然后给颗粒单元施加重力，使颗粒在重力作用下发生沉积，沉积到一定步数后停止，撤去重力方向上的墙体，在新的位置生成墙体，使生成后的试样为正方形试样，试样生成过程如图1；

(2.2)为了模拟重力沉积趋势对力学特性的影响，按(2.1)中方法并给定三种不同的重力沉积步数生成三组试样，其中每组试样由两个完全相同的试样组成，双轴试验装置如图1，试样生成过程如图2；

(2.3)按重力沉积法生成试样后，需要对试样施加一个较小的各向同性初始应力，以保证试样与新生成的墙体间接触均匀，然后对以上三组试样进行加载，其中，每组试样中的两个试样，一个平行重力沉积方向加载，一个垂直重力沉积方向加载，加载方式如图3；

(2.4)得到每组试样的应力应变曲线，并取当加载方向应变为1％时的应力应变值，计算初始弹模、泊松比和应力应变曲线上的的应力峰值，初始弹模和泊松比定义为：

$E_0={\left(\frac{\mathrm{\Delta \sigma }}{\mathrm{\Delta ϵ}}\right)}_{ϵ=0.01}---\left(1\right)$

$v_0=\frac{1}{2}[1-{\left(\frac{\Delta {ϵ}_v}{\mathrm{\Delta ϵ}}\right)}_{ϵ=0.01}]---\left(2\right)$

E₀:初始弹模；Δε:初始应变增量(当总应变增量小于0.01时,施加应力增量产生的应变增量)；Δσ:应力增量；v₀:泊松比；Δε_v:体积应变增量；Δε:加载方向应变增量.

(2.5)比较每一组试样中的两个试样的力学特性曲线以及力学参数，得出原生各向异性的规律，进一步比较不同重力沉积趋势下，原生各向异性的发展趋势和规律；

(2.6)试样加载过程中，编写程序记录微观参数的变化如颗粒单元长轴定向的变化，颗粒间接触力大小和分布的变化以及颗粒间平均配位数的变化，颗粒长轴定向如图4；

(2.7)分析每一组试样中的两个试样的微观参数的变化规律，然后将三组试样的微观参数变化规律进行对比分析，得出结论；

(2.8)将土体宏观力学特性的表现和变化规律与其微观参数的变化规律进行比较分析，得出土体宏观各向异性力学特性的微观机理；

(3)根据(1)中颗粒流双轴试验确定的细观力学参数，建立平面双轴试样，对土体的应力各向异性进行模拟，技术路线如图5；

(3.1)生成四面墙体，然后在墙体所围区域内以一较大孔隙率生成颗粒集合体，给颗粒单元定义微观参数，让颗粒进行循环，使颗粒集合体达到平衡状态；

(3.2)，按(3.1)中方法生成3组试样，每组试样包含两个，然后分别从水平和竖直方向上对每组试样施加不等向初始应力。为了研究土体所受初始应力状态对其力学特性的影响及变化规律，每组试样所受的初始应力状态不能相同，3组试样在水平和竖直方向上所受初始应力的差异逐渐增大，但是每组试样中的两个试样所受初始应力保证完全相同；

(3.3)对以上三组试样进行加载，其中，每组试样中的两个试样，一个沿大主应力方向加载，一个沿小主应力方向加载；

(3.4)得到每组试样的应力应变曲线，并取当加载方向应变为1％时的应力应变值，计算初始弹模、泊松比和应力应变曲线上的的应力峰值；

(3.5)比较每一组试样中的两个试样的力学特性曲线以及力学参数，得出原生各向异性的规律，进一步比较不同重力沉积趋势下，原生各向异性的发展趋势和规律；

(3.6)试样加载过程中，编写程序记录微观参数的变化如颗粒单元长轴定向的变化，颗粒间接触力大小和分布的变化以及颗粒间平均配位数的变化；

(3.7)分析每一组试样中的两个试样的微观参数的变化规律，然后将三组试样的微观参数变化规律进行对比分析，得出结论；

(3.8)将土体宏观力学特性的表现和变化规律与其微观参数的变化规律进行比较分析，得出土体宏观应力各向异性力学特性的微观机理；

(4)对比分析土体原生各向异性和应力各向异性的表现规律，得出两种各向异性的区别与联系，并找出土体两种各向异性产生的微观机理。

本发明无粘性土各向异性力学特性微观机理研究方法优点是：

在采用有限元模拟土体各向异性特性时是将土体当作一种连续介质，室内试验也无法在试验过程中记录土体微观结构和微观力学机制的演化，无法提示散粒材料各向异性力学特性的微观机理。而本发明采用颗粒离散元的模拟方法克服了这些缺陷，既可以方便地模拟无粘性土原生各向异性和应力各向异性的表现规律，进行比较和分析，又可以提示土体各向异性力学特性在微观结 构和微观力学特性上的演化机理。本发明一方面针对无粘性土的散粒特点，采用长条单元模拟土体颗粒，与实际土体颗粒形状和颗粒间的咬合力更加接近。按相同方法生成平面双轴数值试样，两组试样具有相同初始应力状态，保证两组试样在加载前的颗粒组成，受力状态均完全一样，加载过程中，一个从小主应力方向加载，另一个从大主应力方向加载，使土体的受荷方式与工程实践更加接近，而且很方便的比较不同加载方向的力学曲线和力学参数，得出土体各向异性力学特性的表现规律，以及两种各向异性的联系与区别；另一方面，凭借颗粒流离散单元法的优势，不断记录加载过程中，土体内部颗粒长轴定向，位移，颗粒间接触力，平均配位数等微观参数的变化，找出土体宏观各向异性力学特性的微观机理。因此，采用颗粒流离散单元法模拟无粘性土的各向异性力学特性具有一定的优势。本发明凭借颗粒流离散元法的在在散粒材料微观结构方面研究的优点，为无粘性土各向异性力学特性的数值模拟提供了新的研究思路。

此外，根据数值模拟结果，对工程实践中因不考虑土体各向异性而引发的工程事故进行解释，并从施工或设计方面提出改进措施，从而对实际工程具有一定的指导意义。

附图说明

图1为本发明实施过程流程图

图2为长条颗粒双轴试样重力沉积过程图

图3为原生各向异性试样加载过程

图4为颗粒单元长轴定向

图5应力各向异性加载过程

具体实施方式

如图1-图5所示，一种无粘性土应力各向异性的数值模拟方法，流程图如图1，其具体步骤如下：

(1)根据室内试验获取无粘性土的应力应变曲线和相关力学参数。

(1.1)收集室内试验曲线，得到土体的应力应变曲线和泊松比曲线，以及相关力学参数。

(1.2)建立颗粒流离散元数值模型，进行参数标定，根据室内试验获取试样的细观力学参数(如：颗粒大小，摩擦系数，法向刚度，法切向刚度比值等)使数值模型的宏观应力应变力学特性与室内试验的结果在尽可能的吻合，以保证数值模拟的结果能够对实际工程具有一定的指导意义；

(2)根据(1)中颗粒流双轴试验确定的细观力学参数，建立平面双轴试样，对土体的原生各向异性进行模拟；

(2.1)生成四面墙体，然后在墙体所围区域内以一较大孔隙率生成颗粒集合体，给颗粒单元定义微观参数，然后给颗粒单元施加重力，使颗粒在重力作用下发生沉积，沉积到一定步数后停止，撤去重力方向上的墙体，在新的位置生成墙体，使生成后的试样为正方形试样，试样生成过程如图1。

(2.2)为了模拟重力沉积趋势对力学特性的影响，按(2.1)中方法并给定三种不同的重力沉积步数生成三组试样，其中每组试样由两个完全相同的试样组成，双轴试验装置如图1，试样生成过程如图2。

(2.3)按重力沉积法生成试样后，需要对试样施加一个较小的各向同性初始应力，以保证试样与新生成的墙体间接触均匀，然后对以上三组试样进行加载，其中，每组试样中的两个试样，一个平行重力沉积方向加载，一个垂直重力沉积方向加载，加载方式如图3。

(2.4)得到每组试样的应力应变曲线，并取当加载方向应变为1％时的应力应变值，计算初始弹模、泊松比和应力应变曲线上的的应力峰值，初始弹模和泊松比定义为：

$E={\left(\frac{\mathrm{\Delta \sigma }}{\mathrm{\Delta ϵ}}\right)}_{ϵ=0.01}---\left(1\right)$

$v_{50}=\frac{1}{2}[1-{\left(\frac{\Delta {ϵ}_v}{\mathrm{\Delta ϵ}}\right)}_{ϵ=0.01}]---\left(2\right)$

(2.5)比较每一组试样中的两个试样的力学特性曲线以及力学参数，得出原生各向异性的规律，进一步比较不同重力沉积趋势下，原生各向异性的发展趋势和规律；

(2.6)试样加载过程中，编写程序记录微观参数的变化如颗粒单元长轴定向的变化，颗粒间接触力大小和分布的变化以及颗粒间平均配位数的变化。颗粒长轴定向如图4。

(2.7)分析每一组试样中的两个试样的微观参数的变化规律，然后将三组试样的微观参数变化规律进行对比分析，得出结论；

(2.8)将土体宏观力学特性的表现和变化规律与其微观参数的变化规律进行比较分析，得出土体宏观各向异性力学特性的微观机理；

(3)根据(1)中颗粒流双轴试验确定的细观力学参数，建立平面双轴试样，对土体的应力各向异性进行模拟，技术路线如图5；

(3.1)生成四面墙体，然后在墙体所围区域内以一较大孔隙率生成颗粒集合体，给颗粒单元定义微观参数，让颗粒进行循环，使颗粒集合体达到平衡状态。

(3.2)，按(3.1)中方法生成3组试样，每组试样包含两个，然后分别从水平和竖直方向上对每组试样施加不等向初始应力。为了研究土体所受初始应力状态对其力学特性的影响及变化规律，每组试样所受的初始应力状态不能相同，3组试样在水平和竖直方向上所受初始应力的差异逐渐增大，但是每组试样中的两个试样所受初始应力保证完全相同。

(3.3)对以上三组试样进行加载，其中，每组试样中的两个试样，一个沿大主应力方向加载，一个沿小主应力方向加载。

(3.4)得到每组试样的应力应变曲线，并取当加载方向应变为1％时的应力应变值，计算初始弹模、泊松比和应力应变曲线上的的应力峰值。

(3.5)比较每一组试样中的两个试样的力学特性曲线以及力学参数，得出原生各向异性的规律，进一步比较不同重力沉积趋势下，原生各向异性的发展趋势和规律；

(3.6)试样加载过程中，编写程序记录微观参数的变化如颗粒单元长轴定向的变化，颗粒间接触力大小和分布的变化以及颗粒间平均配位数的变化。

(3.7)分析每一组试样中的两个试样的微观参数的变化规律，然后将三组试样的微观参数变化规律进行对比分析，得出结论；

(3.8)将土体宏观力学特性的表现和变化规律与其微观参数的变化规律进行比较分析，得出土体宏观应力各向异性力学特性的微观机理；

(4)对比分析土体原生各向异性和应力各向异性的表现规律，得出两种各向异性的区别与联系，并找出土体两种各向异性产生的微观机理。