[发明专利]一种级配碎石动三轴试验的数值方法

摘要

本发明公开了一种级配碎石动三轴试验的数值方法，该方法利用PFC2D软件平台，通过建立物理模型和力学模型，进行级配碎石动三轴试验的模拟，包括基本参数的测试，试模的模拟，级配碎石模拟试件的生成；其次，赋予物理模型微力学参数，构建力学模型；然后，对级配碎石模拟试件进行重复动荷载模拟，得到级配碎石应力～应变曲线、永久变形～荷载作用次数曲线。该方法可准确、便捷地再现三轴试验中级配碎石永久变形～荷载作用次数曲线并揭示级配碎石变形规律，有利于深入研究级配碎石破坏机理；回避了室内动三轴试验中仪器造价高且操作不便的问题，提高了试验效率，节约了研究成本。

主权项

1.一种级配碎石动三轴试验的数值方法，其特征在于，按照以下步骤进行：1)物理模型的构建(1)试件的模拟①基本参数的测试：测定碎石密度，确定级配碎石最大干密度和最佳含水量；②试模的模拟：利用PFC^2D内置命令“wall”生成两片长度为H的竖直墙体和两片长度为D的水平墙体组成封闭矩形以模拟试模；③级配碎石的生成：根据矿料级配、碎石密度、压实度、试件尺寸和最大干密度按式(1)计算第i种规格集料的二维映射面积S_i；Si=dhKPiρiρmax---(1)]]>式中：ρ_max：最大干密度，g/cm³；d：试件直径，cm；h：试件高度，cm；K：压实度，％；P_i：第i种规格集料的分计筛余百分率，％，i为大于0的自然数；ρ_i：第i种规格集料的密度，g/cm³，i为大于0的自然数；利用PFC^2D内置命令“ball”在模拟试模中生成颗粒，并使之符合第i种规格集料的粒径要求，当生成颗粒的总面积达到S_i时，停止颗粒生成；按上述方法依次生成各规格集料颗粒；2)力学模型的构建①接触模型的选取：采用Hertz模型和滑动模型描述级配碎石的颗粒性结构特征和非线性力学特性，其中，Hertz模型通过泊松比v、剪切模量G定义，滑动模型通过摩擦系数μ定义；②物理模型微力学参数的赋予：利用PFC^2D内置命令“prop”赋予级配碎石物理模型以微力学参数，包括泊松比v、剪切模量G、摩擦系数μ；微力学参数可通过级配碎石室内动三轴试验结果反算获取；3)加载过程的模拟与结果整理①围压的控制：通过控制墙体速度以保持墙体应力恒定的方法实现围压控制，墙体速度按式(2)计算：v＝δ(σ_m-σ_n)             (2)式中：δ=LKn‾NΔt---(3)]]>σ_n：目标应力，KPa；σ_m：当前计算时步内的墙体应力，KPa；δ：伺服系数；当前计算时步内模拟试模竖直墙体的颗粒平均接触强度，KPa；Δt：累积计算时间，s；N：当前计算时步内与模拟试模竖直墙体接触的颗粒个数；H：模拟试模竖直墙体的长度，m；②一次加载过程的模拟：利用左右两面墙体保持模拟试件围压稳定，保持底部墙体静止，以恒定加速度a竖直向下推动压板，并在达到运算步数n时使压板位移等于L，同时令压板运动速度归零，至此，一次加载过程结束；墙体加速度a按式(4)计算；a=2nLt2(n+1)---(4)]]>式中：a：模拟压板移动加速度，m/s²；n：运算步数，step；L：模拟压板振幅，m；t：加载时间，s；③一次卸载过程的模拟：在加载过程结束后，利用左右两面墙体保持模拟试件围压稳定，令底部墙体静止，以式(4)的加速度a作为恒定加速度竖直向上推动压板模拟卸载过程，并在达到运算步数n时使压板运动至初始位置，同时令压板运动速度归零，至此，一次卸载过程结束；④稳压过程的模拟：在卸载过程结束后，利用上、下、左、右四面墙体保持模拟试件围压稳定，直至运算步数达到N为止，同时令四面墙体与试件颗粒静止，至此，稳压过程结束，运算步数N按式(5)计算；N=Tdt---(5)]]>式中：N：运算步数，step；T：稳压时间，s；d_t：计算时步，s/step；⑤重复加载模拟：按②至③至④的顺序对模拟试件重复进行加载、卸载和稳压，并记录每个计算时步内模拟压板的位移和接触力；⑥结果整理：绘制加载、卸载和稳压过程中的轴向应变～轴向应力关系曲线、轴向应变～荷载作用次数的关系曲线。