[发明专利]一种砂卵石土三轴剪切离散元模型细观参数标定方法

说明书

本发明属于离散元模型细观参数标定技术领域，公开了一种砂卵石土三轴剪切离散元模型细观参数标定方法，通过PFC2D/3D软件建立砂卵石三轴剪切数值模型，选择接触模型，确定标定的宏观、细观参数及其范围；利用正交试验设计数值试验方案；利用PFC2D/3D软件按照试验方案进行数值试验；采用多因素方差分析各细观参数对宏观力学参数影响的显著性，并筛选出影响宏观力学指标的主要细观参数；通过回归分析建立宏观参数与各主要细观参数之间的线性关系式；将标定问题转化为多目标函数数学规划问题求解，并将数值试验结果与典型砂卵石土的物理试验结果进行对比验证。本发明的解决了“试错法”标定过程中存在的盲目性和费时耗力的问题。

技术领域

本发明属于离散元模型细观参数标定技术领域，尤其涉及一种砂卵石土三轴剪切PFC3D模型细观参数标定方法。

背景技术

目前，砂卵石地层在我国成都、北京、沈阳、兰州等地广泛分布。砂卵石土是对以卵石、砾石为主，含有少量砂土及黏性土的离散碎屑堆积物的统称。砂卵石土具有卵石含量高，单个卵石粒径大、抗压强度高，土体黏聚力低、孔隙率大、透水性强等特点，属于典型的力学不稳定层。因此在砂卵石地层中修建地下工程的过程中出现了许多工程问题，比如地表塌陷、地层空洞、掌子面涌砂突水等。因此研究砂卵石土的物理力学特性具有重大的工程意义。

数值试验具有低成本、易重复等优点往往作为物理试验很好的补充。近年来随着颗粒流(PFC)数值模拟技术不断发展，因其可以方便处理非连续介质力学问题被广泛应用于岩土力学数值试验。在对砂卵石的力学性质进行颗粒离散元数值模拟研究时，需要根据宏观力学响应对颗粒流数值模型进行细观参数的标定。国内外学者对细观参数标定做了大量的研究。Potyondy等研究发现在不考虑颗粒级配情况下，最大最小粒径比R_max/R_min＝1.66时生成的模型较为均匀且符合岩土材料实际的物理力学性质。赵国彦等研究发现在不考虑颗粒级配情况下，颗粒粒径比(R_max/R_min)在1～5范围内时，对模型的力学特性几乎无影响。周喻等对模型尺寸与颗粒粒径的关系进行了研究，发现当模型最小尺度RES＝(L/R_min)[1/(1+R_max/R_min)]≥10时，颗粒的尺寸及数量对模型宏观力学参数的影响较小。阿比尔的等研究发现，当孔隙率在0.04～0.32范围内时，对初始弹性模量、峰值应力、黏聚力和内摩擦角影响不大。魏龙海建立了三轴数值试验模型，对不同密实度的砂卵石土细观参数进行了标定。耿丽等以PFC3D为工具，引入接触黏结模型，分析了颗粒摩擦系数、黏结强度和颗粒簇对粗粒土应力应变曲线的影响。简鹏基于室内试验结果，通过PFC3D进行数值试验，再现了不同含水率、密度和粗粒含量砂卵石土的应力应变曲线。以上研究大都是基于试错法，该过程非常耗时。

学者们针对试错法费时费力问题开展了大量的研究，进行了一定改进。郝保钦采用正交试验设计方法对平行黏结模型细观参数标定方法进行了研究，利用回归分析建立了宏观力学参数与细观参数之间的关系。王晋伟等采用正交试验与等值线法相结合的方法，在优化细观参数取值范围和分析宏观响应对细观参数敏感性的基础上快速确定了堆石料的细观参数。张宝玉等采用正交数值试验方法研究了平行节理模型细观参数与宏观参数之间的相关性，提出了岩石细观参数标定流程。J.Yoon等利用PB建立了宏观力学指标和细观参数之间的线性的关系，然后利用响应曲面法考查了显著影响参数之间的相互作用，确立了宏观宏观力学指标和细观参数之间的非线性的关系，最后将问题转化为非线性多目标数学规划问题。以上研究大都集中在对岩石细观参数的标定的问题上。

根据上述调研发现目前砂卵石土细观参数标定大都采用“试错法”，缺少系统深入的研究。因此，亟需设计一种新的砂卵石土三轴剪切PFC3D模型细观参数标定方法，以弥补现有技术的缺陷。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：目前的砂卵石土细观参数标定研究大都是基于试错法，该过程非常耗时，且缺少系统深入的研究。

解决以上问题及缺陷的难度为：