[发明专利]基于三维状态下级配碎石CBR数值试验方法

权利要求书

1.一种基于三维状态下级配碎石CBR数值试验方法，其特征在于，按照以下步骤进行：

步骤a：通过PFC3D软件中“WALL”命令分别建立试模底面、侧壁，然后根据级配碎石所进行的试件压实度、矿料级配来生成模拟的级配碎石颗粒，并赋予碎石密度和初始接触刚度；

步骤b：通过最小二乘法反复拟合级配碎石CBR室内试验加载曲线，确定模拟试验的细观参数，并利用PFC3D内置的“prop”命令给碎石颗粒赋予接触模型参数；

步骤c：通过“CYCLE”命令运行颗粒系统，进行初始化平衡操作以消除生成级配碎石较大的应力及不平衡力；

步骤d：利用墙体命令对CBR试验的压头和空心圆环的荷载板进行模拟；

步骤e：利用伺服加载方式实现对级配碎石试件的加载试验，CBR试验加载模拟过程中，虚拟荷载板保持恒定的压强，底面保持不动，压杆底面和压杆侧壁以恒定的速度压入试件中，记录压杆的位移与接触力，将其记录在日志文件中，整理得到压头贯入力与贯入量的关系曲线，并对其结果进行整理；

所述步骤a中，根据级配碎石所进行的试件压实度、矿料级配来生成模拟的级配碎石颗粒过程如下：(1)先初步设定碎石初始的孔隙率，在实际级配基础上删除粒径小于1.18mm的颗粒部分，并按照1.18mm以上粗集料的各粒径间的分级筛余量的比例重新确定各档碎石颗粒的比值；(2)根据设定的试件的半径、高度、孔隙率求出碎石颗粒所占的体积，再结合各粒径间级配碎石颗粒的比值可求得各粒径间颗粒的生成数量；(3)赋予碎石密度和初始接触刚度，进行计算循环并调整生成颗粒间的半径确保在达到目标孔隙率的情况下消除各颗粒间接触；(4)利用上述步骤生成集料颗粒，当颗粒达到所设定的目标值时则停止生成碎石颗粒。

2.根据权利要求1所述的一种基于三维状态下级配碎石CBR数值试验方法，其特征在于，所述步骤b中，对应级配碎石颗粒间微观力学性能，分别采用线性接触刚度模型、接触粘结模型、滑动模型；

所述线性接触模型用于描述颗粒单元自身的变形特性，可以与岩石体的力学刚度相对应；

所述接触粘结模型将颗粒间的接触等效为一个点，只能传递力而不能传递位移，根据莫尔库仑法则，可用于描述碎石之间脆弱的粘结性能；

所述滑动模型允许颗粒间粘结破坏后发生相对滑动，提供了滑动摩擦系数，可用于描述内摩擦角。

3.根据权利要求1所述的一种基于三维状态下级配碎石CBR数值试验方法，其特征在于，所述步骤b中，细观参数包括：颗粒密度、颗粒法向刚度、颗粒切向刚度、颗粒摩擦系数、法向粘结强度、切向粘结强度、墙体刚度。

4.根据权利要求1所述的一种基于三维状态下级配碎石CBR数值试验方法，其特征在于，所述步骤c中，对颗粒系统进行初始化平衡操作为：当系统内最大颗粒不平衡力与典型接触力的比值小于10^-5时满足平衡收敛条件结束循环。

5.根据权利要求1所述的一种基于三维状态下级配碎石CBR数值试验方法，其特征在于，所述步骤d中，运用“cylinder”命令生成CBR压杆侧柱面，再运用“face”命令生成将圆形简化后的18边形等效压杆底面，并利用PFC3D中墙体生成命令“face”18个等腰梯形，从而模拟出空心圆环的荷载板。

6.根据权利要求5所述的一种基于三维状态下级配碎石CBR数值试验方法，其特征在于，所述利用PFC3D中墙体生成命令“face”18个等腰梯形，从而模拟出空心圆环的荷载板的具体步骤是：在平面极坐标系中将空心圆面进行18等分，从而确定每个等腰梯形的四个顶点，再依次建立墙体。

7.根据权利要求1所述的一种基于三维状态下级配碎石CBR数值试验方法，其特征在于，所述步骤e中，墙体的伺服操作和试验结果整理按照以下步骤进行计算：

(1)计算墙体接触力，PFC3D中墙体接触力计算公式如式(1)所示：

式中：F为单个颗粒作用在墙体的力；σ^measure为墙体接触力；N为与计算墙体相接触的颗粒个数；A为计算墙体的面积；

(2)将得到的墙体接触应力与设定值进行比对，如式(2)所示：

△σ＝σ^measured-σ^required (2)

式中：△σ为墙体的测量的接触力与预设接触力的差值；σ^required为初始预设墙体接触力；

(3)确定墙的伺服速度，由下列公式计算如式(3)所示：

式中：为墙体的伺服速度；G为墙体伺服时的参数，其中，

式中：α为松弛系数；k_n^(w)为与计算墙体相接触的接触点的平均刚度；N_c为与计算墙体相接触颗粒的颗粒数；△t为计算时步；A为表示计算墙体的面积；

(4)CBR试验结果整理；

将压杆在贯入时级配碎石内部颗粒接触力，颗粒位移速率记录为空间内的力链和位移矢量图变化。