[发明专利]一种快速确定岩石类脆性材料离散元模型参数的方法

说明书

本发明公开一种快速确定岩石类脆性材料离散元模型参数的方法。该方法结合石灰岩材料的压缩实验，建立与实验相对应的离散元模型，将模型参数确定问题转化为优化问题，以实验测试响应和离散元数值计算响应之间的最小误差作为目标函数，采用近似模型代替真实的物理模型，利用基于全局优化的智能算法进行反求计算，快速获取了一组最优的石灰岩材料离散元模型参数。本发明基于少数物理实验数据快速确定材料离散元模型参数，有效提高参数确定的计算效率和计算精度，能够快速有效确定传统方法难以确定的模型参数，提高了离散元数字模型的精度，有利于离散元方法在脆性材料性能研究的应用拓展，具有良好的实用价值。

技术领域

本发明属于脆性材料离散元模型参数确定领域，尤其涉及到一种岩石类脆性材料离散元模型参数获取方法。

背景技术

岩石是一种天然地质体，具有不连续性、非均质性、各向异性和非线性等特点。随着高铁的建设、隧道的开挖、防护工程建设和页岩气的开采，对岩石破坏准则的研究正在成为一个重要的热点方向。

离散元法是一种可靠而有效的数值模拟方法，已被广泛应用于研究岩石类脆性材料的力学性能，其基本思想就是把整个介质视为一系列离散的颗粒组成，以力-位移定律和牛顿第二运动定律为依据，对问题进行力学分析。采用离散元方法研究岩石问题时，首先必须确定与材料宏观特性相匹配的模型细观参数。然而，岩石类脆性材料离散元模型中所含参数众多，且不易确定。准确获取岩石类脆性材料离散元模型中的关键参数，对于岩石类脆性材料的力学性能研究具有重要的理论意义和实际作用。

目前，岩石类脆性材料离散元模型参数一般是通过实验法来确定，即通过对批量材料试样进行多工况下的压缩实验、巴西劈裂实验以及三点弯曲实验等来确定。脆性材料离散元模型中有些参数可通过这些实验直接测取，但有些关键参数难以通过实验直接测取，常常需要进行大量反复的实验，通过数据拟合的方式来获取。发明专利申请201610058702.4公开了一种母岩及其颗粒料的二维离散元模型构建方法，该方法基于颗粒流软件(PFC^2D)二维模块环境构建母岩试样以及颗粒料试样的离散元模型但，但该模型仅提供一种二维模型的建立方法，无法广泛应用于岩石类脆性材料离散元模型参数的确定。此外，由于材料试样的制备、实验设备的限制，进行大量有效的岩石类脆性材料实验是成本较高、效率较低的。因此，开发其他快捷高效的方法来确定这些难以直接获取的脆性材料离散元模型参数是十分必要的。

发明内容

针对以往确定岩石类脆性材料离散元模型参数需大量材料实验的问题，本发明的目的在于提出一种有效的岩石类脆性材料离散元模型参数确定方法，仅需少量实验数据就能快速有效地获取材料离散元模型中的关键参数。

本发明的技术方案是提供了一种岩石类脆性材料离散元模型参数确定方法，用于确定BPM模型中参数σ_c、E_c和σ_c表示黏结法向强度，E_c表示颗粒接触模量，表示颗粒法向与切向刚度比；其特征在，包括以下步骤：

步骤1：利用万能材料实验装置，分别对上表面与水平面夹角α为0°和1°的石灰岩试样进行准静态单轴压缩实验5次，并通过传感器、位移控制采集系统及数据处理装置获得石灰岩试样的应力应变数据；

步骤2：通过离散元方法建立与步骤1中水平面夹角α为0°的试样准静态单轴压缩实验相对应的材料离散元数值模型，其中采用BPM模型描述岩石类脆性材料的力学行为；

步骤3：基于步骤2所建立的材料离散元数值模型，对α＝0°的石灰岩材料在准静态单轴压缩工况下开展材料测量应力应变响应关于材料BPM模型参数σ_c、E_c和的敏感性分析；

步骤4：基于步骤3所得的敏感性分析结果确定待识别的模型参数，并确定模型参数的取值范围；