[发明专利]一种岩土三轴试验柔性薄膜边界的离散元模拟方法

说明书

本发明公开了一种岩土三轴试验柔性薄膜边界的离散元模拟方法，该方法采用六边形蜂窝结构布置的颗粒集合来代表柔性薄膜，颗粒之间采用线性粘结模型，上下加载板采用刚性墙体。该方法的突出优点包括：(1)薄膜颗粒能有效表征物理薄膜的弹性模量、泊松比和厚度等参数；(2)薄膜在试样加载过程中能自由变形，并能确保稳定而准确地传递静水围压；(3)加载过程中，试样的体积变形能被实时精确记录。本发明实施过程简单，适用于模拟砂土、堆石料等各类散体材料的常规三轴试验。实践表明：该方法能准确模拟散体材料在三轴试验过程中试样形态变化，应力应变关系和体积应变情况，能为散体材料的宏观参数测试和力学性能研究提供有力支撑。

技术领域

本发明属于岩土工程领域，尤其涉及一种岩土三轴试验柔性薄膜边界的离散元模拟方法。

背景技术

三轴试验属于岩土工程领域最为重要的室内试验之一。在工程中，三轴试验广泛用于测试岩土体强度和变形参数，为设计和施工提供参数依据；在科研中，三轴试验则是研究土体各类力学特征的主要设备。

由于砂土，堆石料等土工材料具有天然的散粒特性，以颗粒为基本单元的的离散元算法广泛应用于各类岩土工程问题的研究中。然而，由于离散元算法采用的细观尺度参数不易通过物理试验测得，当前大多数针对岩土工程的离散元模拟，首先都要模拟常规岩土试验(如三轴试验)，通过不断调试离散元细观参数，直到模拟对象在宏观上具备和物理试验相似特征时，所用的离散元参数才被当作是一组可靠的参数。因而，基于离散元的三轴试验作为离散元模拟岩土工程问题的基础数值试验，其准确仿真是离散元模拟岩土工程问题的关键之一。

三轴试样在侧向通常由乳胶薄膜或者橡胶薄膜包裹在一定水压环境中，通过轴向加载，获得试样在一定围压下轴向加载时的应力应变关系。柔性的乳胶膜或橡胶膜，能在保证试样加载过程中自由变形的同时，稳定地传递水压作为试样的围压。有研究表明，薄膜的性质对于试样加载过程中的应力应变响应，以及剪切带的产生和发展具有重要影响。

中国发明专利(申请号：201710636809.7，专利名称：考虑膜效应的岩土体三轴试验的离散元建模及数值模拟方法与流程)提供了一种三轴试验薄膜模拟算法，该算法采用团簇单元模拟顶板，底板和薄膜，能在一定程度上模拟三轴试验加载后的变形。然而，该专利提供的模拟方法存在明显不足：1)无法模拟不同薄膜材料参数(如厚度，弹性模量和泊松比等)在三轴中的影响；发明人虽然提及要对薄膜输入弹性模量和泊松比等变形参数，然而参与离散元计算的参数均为颗粒刚度等细观参数，如何将宏观的弹性模量和泊松比等宏观参数赋与采用细观参数计算的团簇单元，存在现实的技术困难。2)合理捕捉三轴加载过程中的体积变形是成功分析岩土体变形行为的关键，然而该模型无法计算和合理表征三轴试验在加载过程中的体积变形；3)采用团簇单元作为上下加载顶板的模拟单元，由于上下加载顶板刚度大，团簇单元必须采用较高的刚度以合理模拟刚性加载板，然而，在显式离散元算法中，较大的刚度不得不采用较小的时间步长来保证模型计算的稳定性，该方案存在具体实施上的计算低效率。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种岩土三轴试验柔性薄膜边界的离散元模拟方法。该方法能准确模拟散体材料在三轴试验过程中试样形态变化，应力应变关系和体积应变情况，能为散体材料的宏观参数测试和力学性能研究提供有力支撑。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

S 1、制样容器建模；

制样容器模型包括上加载板、下加载板和侧向刚性墙体；

S2、岩土体样品的建模；

在制样容器内生成土体颗粒样品，基于离散元伺服原理，以制样容器为伺服墙体，将三轴试样加载到预定的应力状态；

S3、根据试验中所用薄膜的弹性模量、泊松比和薄膜厚度，计算构建薄膜模型所需的薄膜颗粒的细观参数：