[发明专利]一种基于圆柱体伺服条件的假三轴剪切试验离散元数值模拟方法

说明书

本发明涉及一种基于圆柱体伺服条件的假三轴剪切试验离散元数值模拟方法，基于边界条件建立在拉梅公式的基础上，将圆柱体刚性边界条件假想成很薄壁的管道，通过压强差计算圆柱体刚性边界条件在试样固结及剪切过程中的半径变化情况，以达到伺服控制试样围压的效果，该方法想法创新，容易理解，代码书写简单，具有很高的普及性。

技术领域

本发明涉及一种基于圆柱体伺服条件的假三轴剪切试验离散元数值模拟方法，属于岩土学科数值模拟技术领域。

背景技术

目前，随着计算机技术的普及，采用数值模拟方法测定岩土体离散材料抗剪强度的研究受到越来越多科研工作者的关注。相较于实验室试验周期长，耗时久，人员多，开销大等弊端，数值模拟方法可以大大降低人工成本和试验周期。

为了模拟假三轴试验在固结与剪切过程中的围压控制，首先要克服的困难是解决施加在圆柱面上的压强计算，然而这个问题很难用简单的数学公式表达。因此，现常用的近似算法有：1、通过生成正多边形柱体来近似模拟圆柱体。正多边形边数越多，多边形柱体越接近圆柱体，但从严格意义上讲，多边形柱体并非圆柱体。2、采用轴对称周期性边界条件的方法首先模拟了扇形柱体，然后扩展成圆柱体边界条件。该方法的不足之处在于它模拟的试样是轴对称的，在模拟各向异性试样材料时并不具有随机性与代表性。3、采用柔性边界条件(Fazakes)，该边界由14904个相互接触的球颗粒单元重叠而成。模拟中通过计算每个边界小球与物质颗粒的接触来确定整体边界条件的状态变化，但该方法由于生成的边界条件小球数量过多，会大大增加了模拟的运算量，导致运算时间过长。4、采用了离散元法与有限元法、或有限差分法相结合的方式，通过有限元法计算处理边界变形，通过离散元法计算离散材料的力学行为(Hello)。这种模拟方法首先要求程序能有效地对两种数值模拟理论进行耦合，同时也要求程序员熟练地掌握运用两种理论。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于圆柱体伺服条件的假三轴剪切试验离散元数值模拟方法，基于边界条件建立在拉梅公式的基础上，将圆柱体刚性边界条件假想成很薄壁的管道，通过压强差计算圆柱体刚性边界条件在试样固结及剪切过程中的半径变化情况，以达到伺服控制目的。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种基于圆柱体伺服条件的假三轴剪切试验离散元数值模拟方法，用于模拟岩土体离散材料在三轴试验固结与剪切过程中的试样围压与轴压的控制，进而测试岩土体离散材料的抗剪强度，包括如下步骤：

步骤A.根据岩土体离散材料，在圆柱体边界条件内生成互不接触的球形颗粒或不规则形状颗粒,直到各个颗粒填满圆柱体内部空间，然后进入步骤B；

步骤B.针对圆柱体内部空间内的每个颗粒施加重力，由所有颗粒构成圆柱体堆积体，并针对圆柱体堆积体进行处理，制备满足预设孔隙率的试样，然后进入步骤C；

步骤C.根据岩土体离散材料属性，针对试样中颗粒与颗粒之间、颗粒与圆柱体内壁之间的各个接触位置，分别设置接触模型，然后进入步骤D；

步骤D.针对试样进行竖直下压，并基于拉梅公式的圆柱体伺服条件控制试样围压σ₃，获得试样轴压σ₁不小于预设固结目标围压P_conf、且试样围压σ₃等于预设固结目标围压P_conf的固结试样，然后进入步骤E；

步骤E.针对固结试样进行竖直下压，以固结试样围压σ'₃为依据，基于拉梅公式的圆柱体伺服条件控制固结试样围压σ'₃，获得固结试样的抗剪强度。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤A中，在圆柱体边界条件内，采用RSA法生成互不接触的球形颗粒或不规则形状颗粒。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤B中，针对圆柱体堆积体，采用夯实试样或振动试样的方式处理，制备满足预设孔隙率的试样。