[发明专利]无粘性土各向异性力学特性微观机理数值模拟方法

摘要

本发明采用颗粒离散元单元方法，开发水平加荷程序和微观力学参数监测程序，给出一种从微观角度研究土体各向异性力学特性的思路和方法：（1）根据室内试验获取无粘性土的应力应变曲线和相关力学参数；（2）根据（1）中颗粒流双轴试验确定的细观力学参数，建立平面双轴试样，对土体的原生各向异性进行模拟；（3）根据（1）中颗粒流双轴试验确定的细观力学参数，建立平面双轴试样，对土体的应力各向异性进行模拟；（4）对比分析土体原生各向异性和应力各向异性的表现规律，得出两种各向异性的区别与联系，并找出土体两种各向异性产生的微观机理。本发明凭借颗粒流离散元法的在散粒材料微观结构方面研究的优点，为无粘性土各向异性力学特性的数值模拟提供了新的研究思路。

主权项

1.一种无粘性土各向异性力学特性微观机理数值模拟方法，其具体步骤如下：(1)根据室内试验获取无粘性土的应力应变曲线和相关力学参数；(1.1)收集室内试验曲线，得到土体的应力应变曲线和泊松比曲线，以及相关力学参数；(1.2)建立颗粒流离散元数值模型，进行参数标定，根据室内试验获取试样的细观力学参数，使数值模型的宏观应力应变力学特性与室内试验的结果在尽可能的吻合；(2)根据(1)中颗粒流双轴试验确定的细观力学参数，建立平面双轴试样，对土体的原生各向异性进行模拟；(2.1)生成四面墙体，然后在墙体所围区域内以2倍于试样最终孔隙率的孔隙率生成颗粒集合体，给颗粒单元定义微观参数，然后给颗粒单元施加重力，使颗粒在重力作用下发生沉积，直到试样达到最终孔隙率后，撤去重力方向上的墙体，在新的位置生成墙体，使生成后的试样为正方形试样；(2.2)为了模拟重力沉积趋势对力学特性的影响，按(2.1)中方法并给定三种不同的重力沉积步数生成三组试样，其中每组试样由两个完全相同的试样组成；(2.3)按重力沉积法生成试样后，需要对试样施加一个较小的各向同性初始应力,这个初始应力既要能保证试样与新生成的墙体间接触均匀，又不能对试样内部结构产生较大影响.然后对以上三组试样进行加载，其中，每组试样中的两个试样，一个平行重力沉积方向加载，一个垂直重力沉积方向加载；(2.4)得到每组试样的应力应变曲线，并取当加载方向应变为1％时的应力应变值，计算初始弹模、泊松比和应力应变曲线上的的应力峰值，初始弹模和泊松比定义为：E0:初始弹模；Δε:初始应变增量(当总应变增量小于0.01时,施加应力增量产生的应变增量)；Δσ:应力增量；v0:泊松比；Δεv:体积应变增量；Δε:加载方向应变增量;(2.5)比较每一组试样中的两个试样的力学特性曲线以及力学参数，得出原生各向异性的规律，进一步比较不同重力沉积趋势下，原生各向异性的发展趋势和规律；(2.6)试样加载过程中，编写程序记录微观参数的变化如颗粒单元长轴定向的变化，颗粒间接触力大小和分布的变化以及颗粒间平均配位数的变化；(2.7)分析每一组试样中的两个试样的微观参数的变化规律，然后将三组试样的微观参数变化规律进行对比分析，得出结论；(2.8)将土体宏观力学特性的表现和变化规律与其微观参数的变化规律进行比较分析，得出土体宏观各向异性力学特性的微观机理；(3)根据(1)中颗粒流双轴试验确定的细观力学参数，建立平面双轴试样，对土体的应力各向异性进行模拟；(3.1)生成四面墙体，然后在墙体所围区域内以2倍于试样最终孔隙率的孔隙率生成颗粒集合体生成颗粒集合体，给颗粒单元定义微观参数，让颗粒进行循环，使颗粒集合体达到平衡状态；(3.2)，按(3.1)中方法生成3组试样，每组试样包含两个，然后分别从水平和竖直方向上对每组试样施加不等向初始应力，为了研究土体所受初始应力状态对其力学特性的影响及变化规律，每组试样所受的初始应力状态不能相同，3组试样在水平和竖直方向上所受初始应力的差异逐渐增大，但是每组试样中的两个试样所受初始应力保证完全相同；(3.3)对以上三组试样进行加载，其中，每组试样中的两个试样，一个沿大主应力方向加载，一个沿小主应力方向加载；(3.4)得到每组试样的应力应变曲线，并取当加载方向应变为1％时的应力应变值，计算初始弹模、泊松比和应力应变曲线上的的应力峰值；(3.5)比较每一组试样中的两个试样的力学特性曲线以及力学参数，得出原生各向异性的规律，进一步比较不同重力沉积趋势下，原生各向异性的发展趋势和规律；(3.6)试样加载过程中，编写程序记录微观参数的变化如颗粒单元长轴定向的变化，颗粒间接触力大小和分布的变化以及颗粒间平均配位数的变化；(3.7)分析每一组试样中的两个试样的微观参数的变化规律，然后将三组试样的微观参数变化规律进行对比分析，得出结论；(3.8)将土体宏观力学特性的表现和变化规律与其微观参数的变化规律进行比较分析，得出土体宏观应力各向异性力学特性的微观机理；(4)对比分析土体原生各向异性和应力各向异性的表现规律，得出两种各向异性的区别与联系，并找出土体两种各向异性产生的微观机理。