[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

说明书

技术领域

本发明涉及岩土体室内常规三轴试验的模拟方法，尤其是三维离散元建模和模拟。

背景技术

常规三轴试验是土工试验中非常基本且重要的实验，它的设备简单，操作方便，可以很好地研究岩土体的受力变形特征，获得一些可靠的强度参数如抗剪强度。然而室内试验耗时长，数据往往具有很大离散性，对于复杂宏观现象，其微观机制很难揭示。数值模拟是一种很好地揭示三轴试验微观机制的手段，离散元法自提出以来，由于其对非连续介质较好的模拟能力，能清晰反映颗粒材料微观变形机制等优点，迅速被引入对岩土体材料的研究中。

三轴试验模拟时，在模拟装置底座、不透水石等组件时，常规离散元模型的边缘较为粗糙，使得其表面总体摩擦力较大，难以有效模拟。边界条件的施加尤其重要。在施加侧向围压时，室内试验通常采用液体施加恒定压力，即给样品外部套上一层乳胶膜。

三轴试验离散元模拟中，在模拟侧向恒定围压时，通常的做法是采用伺服控制系统控制的刚性板，这种方法操作复杂，虽然可以控制侧向围压恒定，然而会抑制侧向的大变形，使得模拟结果有一定的误差，且在设置加载板时，为了避免边界之间的相互作用，总要留出一点空隙。

发明内容

为解决上述问题，本方法采用团簇模型来构建三轴试验模拟器的底板装置，并提出一种三维情况下弹性膜的模拟方法。

该方法主要是用单层方形网格状排列的球形颗粒模拟弹性膜。膜的两端固定在顶、底板上。采用团簇模型使膜单元更加紧密。在数值模拟过程中，忽略底板与膜的相互作用。由此建立起可以模拟弹性膜边界条件下三维三轴试验模拟装置。

本发明所公开的考虑膜效应的岩土体三轴试验的离散元建模方法，包括如下步骤：

S1、制样容器由顶板、底板及刚性圆筒组成，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、将给定的岩土体样品单元的材料属性赋给所生成的岩土体样品，然后平衡岩土体样品单元间的受力，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中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地材料属性，至此完成三轴试验离散元模型的建立。

作为一种优选方案，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。

作为一种优选方案，步骤S3中，平衡岩土体样品单元间的受力后，根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。

作为一种优选方案，步骤S2包括以下步骤：

21、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；

22、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；

23、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。

作为一种优选方案，步骤S4中，采用团簇模型构建弹性膜。

作为一种优选方案，采用团簇模型构建弹性膜包括以下步骤：

41、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，即限制顶板和底板处的弹性膜单元水平方向的运动。

42、设置弹性膜的材料属性；

43、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。

作为一种优选方案，步骤S4中，限制顶板和底板处的弹性膜的沿水平方向运动。弹性膜的两端分别固定在顶板和底板上，以限制固定在顶板和底板上的弹性膜沿水平方向的运动，仅允许其沿竖直方向运动。

本发明还公开一种考虑膜效应的岩土体三轴试验的数值模拟方法，该方法基于具有上述特征的任意一种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。

作为一种优选方案，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。