[发明专利]无粘性土各向异性力学特性微观机理数值模拟方法

说明书

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。

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；