[发明专利]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

权利要求书

1.一种考虑膜效应的岩土体三轴试验的离散元建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、构建和制样容器直径相同的单层圆形顶板、底板，以及内径和制样容器直径相同的刚性圆筒，以完成制样容器的建模；

S2、在制样容器模型内生成岩土体颗粒样品，作为构建岩土体样品的样品单元不断沉积至指定高度，以形成目标尺寸的岩土体样品；

S3、将给定的样品单元的材料属性赋给所生成的岩土体样品，然后平衡样品单元间的受力，以完成岩土体样品的建模；

S4、构建弹性膜，并将步骤S1所形成的制样容器模型的刚性圆筒替换为构建好的弹性膜，然后给弹性膜设置相应的材料属性，至此完成三轴试验离散元模型的建立。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，采用团簇模型构建制样容器模型顶板、底板和刚性圆筒。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：

S21、在顶板、底板和刚性圆筒围成的空间内采用随机法生成粒径在指定粒径分布范围内的岩土体颗粒样品；

S22、对颗粒样品施加随机方向的初速度，通过离散元迭代运算使颗粒样品运动和碰撞至随机位置；

S23、对颗粒样品施加重力加速度g，通过离散元迭代运算，使颗粒样品自由堆积，制样容器的底板固定，顶板自由且在重力作用下与颗粒样品一同下落，以压平颗粒样品堆积体表面，直至压到指定高度后岩土体样品建模初步完成。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中，平衡岩土体样品单元间的受力后，根据模拟的岩土体样品是否存在初始胶结确定是否胶结样品单元。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中，采用团簇模型构建弹性膜。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，采用团簇模型构建弹性膜包括以下步骤：

S41、将一层呈正方形网格状排列的弹性膜单元紧密堆积形成弹性膜，弹性膜的两端固定在顶板和底板上，以限制顶板和底板处的弹性膜的沿水平方向运动。

S42、设置弹性膜的材料属性；

S43、通过迭代运算平衡弹性膜单元间的受力，至此完成弹性膜的构建。

7.一种考虑膜效应的岩土体三轴试验的数值模拟方法，其特征在于，基于如权利要求1至6任意一项所述的三轴试验离散元模型进行数值模拟，根据给定的加压条件，采用应力式加载对岩土体样品进行轴向施压，通过水压力对岩土体样品施加侧向围压。

8.如权利要求7所述的试验方法，其特征在于，采用应力式加载是通过改变顶板的重力对每一级加载，每级位移小于最小样品单元的直径，且每级加载后均要再次平衡模型内部应力。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，通过水压力对岩土体样品施加侧向围压是指，将水压力均匀的施加到每个弹性膜单元上以施加给定的围压，即将围压等效成膜单元受力，且每次施加围压后需再次平衡模型内部应力。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，计算数值模拟时弹性膜单元的受力包括如下步骤：

S51、对弹性膜进行网格划分，将弹性膜的面积赋给每个网格所对应的弹性膜单元；

S52、将划分后的每个网格上所受的围压等效到各网格中心所对应的弹性膜单元上，并计算得到每个弹性膜单元所对应的压力。