[发明专利]一种探测颗粒材料小应变刚度的数值模拟方法

说明书

本发明提供一种探测颗粒材料小应变刚度的数值模拟方法，包括选取颗粒材料的级配分布特征，制备由若干个球形颗粒组成的数值试样，选定合适的颗粒材料参数，进行三轴试验数值模拟，将数值试样加载至目标剪应变值，选择惯性常数阈值作为颗粒体系加载过程中的准静态判断条件，加载过程中保证数值试样剪切过程的准静态，对加载完成后的数值试样进行静置，直至数值试样不同区域的颗粒表现出受力均匀化，达到可用于小应变刚度观测的平衡状态，进行观测并记录，重复实验，直至观测到颗粒体系的剪切模量有明显降低并最终收敛，绘制刚度退化曲线，本发明减小了由连续加载所引起的应力波动对试验数据的影响，大大提高了小应变刚度的观测精度。

技术领域

本发明属于水利水电工程和岩土工程领域，具体涉及一种探测颗粒材料小应变刚度的数值模拟方法。

背景技术

作为土石坝的主要填筑材料，堆石体和砂砾石料在地震作用下的动力响应和抗震安全问题是控制土石坝运行过程中安全稳定性的重要因素。堆石体和砂砾石料在地震作用下的动力响应与其剪切模量密切相关，在水工领域中，剪切模量的发明常常被用于土石坝抗震安全性的评估。此外，设计较好的岩土结构(如挡土墙和地基)周围的应变水平通常较小，因此，通常需要发明岩土结构周围土体的小应变刚度。堆石体、砂砾石料和土体均可视为颗粒材料，在理论发明层面，可将堆石料、砂砾石料以及土体剪切模量的发明均看作对颗粒材料小应变刚度的发明，颗粒材料在非常小应变情况下通常具有最大剪切模量，且随着应变的增加，颗粒材料的剪切刚度存在退化现象，因此，颗粒材料的小应变刚度发明具有重要的工程实践意义。

目前对颗粒材料小应变刚度的发明方法主要有物理试验和数值模拟两种。基于物理试验发明颗粒材料小应变刚度依赖于大量物理试验提供的参数支撑。通常需要通过弯曲元试验、共振柱试验、高精度三轴试验或原位试验等试验方法对不同堆石料、砂砾石料或土体在不同应力历史或应力状态下的最大剪切模量以及刚度退化规律进行观测。基于数值模拟的方法有离散单元法(DEM)、连续-离散耦合方法(FDEM)、微观有限元方法、多颗粒有限元方法以及LS-DEM方法。但无论是物理试验还是数值模拟都还存在种种不足，物理试验对试验设备的精度有极高的要求，并且试验设备操作流程较为复杂，试验过程极其耗时，对试验人员的专业性及经验也有较高的要求；数值模拟对小应变刚度的观测需要极高的精度，对试验条件与颗粒体系平衡状态的判断也有极为苛刻的要求，且由于小应变刚度条件下，颗粒体系受到的剪切应力的增加量很小，因此需要高精度的测量才可将应变加载前后的应力区分开，这导致加载过程中需要保证严格的准静态平衡条件，但是现有数值模拟中对加载过程中的平衡条件并没有明确的规定，特别是当颗粒级配不同时。因此目前尚未建立适用于不同参数范围颗粒体系的小应变刚度数值模拟方法。因此，提出一种探测颗粒材料小应变刚度的数值模拟方法。

发明内容

根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种探测颗粒材料小应变刚度的数值模拟方法，选择惯性常数阈值作为颗粒体系加载过程中的准静态判断条件，大大提高了小应变刚度的观测精度，减小了由连续加载所引起的应力波动对试验数据的影响。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种探测颗粒材料小应变刚度的数值模拟方法，包括以下步骤：

步骤1、选取颗粒材料的级配分布特征，制备由若干个球形颗粒组成的具有选定级配分布特征的数值试样；

步骤2、选定合适的颗粒材料参数，采用离散单元法，进行三轴试验数值模拟；

步骤3、将步骤1所制备的数值试样加载至目标剪应变值，选择惯性常数阈值I作为颗粒体系加载过程中的准静态判断条件，加载过程中保证数值试样剪切过程的准静态；

步骤4、对步骤3加载完成后的数值试样进行静置，直至数值试样不同区域的颗粒表现出受力均匀化，达到可用于小应变刚度观测的平衡状态；