[发明专利]一种粘性砂土水力侵蚀破坏的离散元数值模拟方法

权利要求书

1.一种粘性砂土水力侵蚀破坏的离散元数值模拟方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1、在孔洞侵蚀试验中生成初始计算空间区域；然后在初始计算空间区域内，根据所要模拟的粘性砂土骨料相的级配D＝1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.3、2.5和2.7，按照粒径范围先大后小的顺序生成代表骨料相的球体颗粒，并随机选择产生位置，从而得到分形维数D＝1.7、2.0和2.5的级配曲线生成的三个粘性砂土数值模型；

步骤2、数值模型的初始化和应力平衡；

步骤3、编制基于时间效应的强度退化准则线性粘结接触模型，用以模拟粘性砂土中骨料颗粒之间的粘土相；粘土相的水力侵蚀过程可视为接触模型的粘结强度的减小；

步骤4、选择接触模型作为骨料颗粒之间接触的细观力学模型，再对接触模型的细观参数进行取值；

细观参数包括基于时间效应的强度退化准则、线性粘结刚度比、线性粘结模量、线性粘结法向强度和线性粘结内聚力；骨料颗粒密度为2500kg/m³，骨料颗粒接触模量E_c＝1.0×10⁷Pa，线性粘结模量E_b＝1.0×10⁷Pa，线性粘结刚度比k_n/k_s＝1.0，粘土相比例ζ＝0.3，粘结半径范围系数b＝1.0，线性粘结强度系数l_coh、l_ten＝2.0×10⁴N/kg，流体密度为1000kg/m³，流体动力粘度μ_f＝0.001Pa·s；

步骤5、通过直剪强度试验对数值模型进行校准；

步骤6、建立流场模拟粘性砂土的水力侵蚀破坏过程；

时间步的选择标准如下：

式7)中，Δt_min、Δt_mid、Δt_max和Δt分别表示最小时间步长、中等时间步长、最大时间步长和实际时间步长；R_low、R_high和R_u分别表示数值模型中低水平不平衡力比值、高水平不平衡力比值和实际最大不平衡力比值；Δt_min＝1.0×10^-3s，Δt_mid＝1s，Δt_max＝500s，R_low＝5×10^-4，R_high＝5×10^-3；

步骤7、获取水力侵蚀破坏试验数值模拟结果；在分形维数D＝1.7的颗粒级配中，布设测量球测量相应的孔隙率；通过遍历数值模型中的骨料颗粒得到水力侵蚀破坏过程中损失的土体质量、骨料颗粒粒径分布、侵蚀速率和颗粒间的水力切向剪切力；平均侵蚀速率q＝1.8424×10^3.2106i-6.3297，其中i为水力梯度。

2.根据权利要求1所述的粘性砂土水力侵蚀破坏的离散元数值模拟方法，其特征在于步骤2具体是：通过设置重力场并计算求解相应的不平衡力，直至数值模型内部的应力平衡或平均不平衡力达到设置要求。