一种PFC3D内置线性接触模型各细观参数与宏观力学参数之间的关联性

一种pfc3d内置线性接触模型各细观参数与宏观力学参数之间的关联性
技术领域
1.本发明属于土木工程领域，具体涉及线性接触模型各细观参数与宏观力学参数之间的关联性。


背景技术：

2.目前通常采用试算对比法进行细观参数选取，即根据经验或者参考其他学者研究成果，先假定一组细观参数，再进行不断的调整，使其表现出的宏观力学特性与室内试验结果相近。这个过程通常会消耗大量的时间，并且无根据的试算工作，也很难使最终标定结果与预期目标之间十分接近。
3.目前多数研究采用二维模型，集中在粘结模型的细观参数(法向粘结刚度，切向粘结刚度，法向粘结强度，切向粘结强度等)与宏观力学参数(弹性模量，泊松比，抗压强度等)之间的关联性上，而粘结模型多用于模拟岩石、混凝土等粘性较强的材料，对适用于模拟粘聚力比较小的土的线性接触模型的研究很少，对本文关注的线性模型细观参数与其表现出的抗剪强度参数之间的关联性研究还未见报道。


技术实现要素：

4.本研究通过开发空间对称的颗粒形状，应用pfc3d建立三维数值三轴试验，进行单因素改变条件下的一系列数值三轴试验，着重研究用于模拟散粒状土的线性接触模型的细观参数(法向刚度kn，切向刚度ks，摩擦系数fric)与剪切力学参数(粘聚力c，内摩擦角φ)、主应力峰值及其对应应变量之间的关联性，所得宏-细观参数关联性对于线性接触模型参数标定过程具有一定参考价值。
5.本发明通过如下技术方案实现。
6.一种pfc3d内置线性接触模型各细观参数与宏观力学参数之间的关联性，包括如下步骤：
7.步骤1：建立尾矿砂三轴三维试验模型；
8.步骤2：选定尾矿砂参数假定；
9.步骤3：确定级配曲线及对比试验的分析；
10.步骤4：采用clump命令开发了非球形颗粒，进行单因素改变条件下的一系列数值三轴试验；
11.步骤5：分析得到线性接触模型细观参数对其表现出的宏观力学特性非单因素影响，其存在一定的交叉影响作用，但对每个宏观力学参数均存在一个占主导地位的控制性细观参数，其影响程度远超其余细观参数。
12.优选为，所述步骤3进行工况ⅰ和工况ⅱ对比分析，在数值模拟中颗粒设为非球形比较符合实际情况，同时也对试验结果的准确性有益；
13.优选为，所述步骤3中以及工况ⅰ和工况ⅲ对比分析；在数值模拟中考虑颗粒级配
可使颗粒之间接触更加紧密，嵌锁作用更强，表现为粘聚力有所增加，应力-应变曲线更加平滑，与室内试验结果更加一致
14.优选为，所述步骤4中在初步选定的细观参数基础上，分别进行了颗粒法向刚度(kn)数值试验，线性拟合试验结果得到界面抗剪力学参数，填料法向接触刚度主要影响峰值主应力对应的应变量。
15.优选为，所述步骤4中在初步选定的细观参数基础上，通过仅改变切向刚度ks的值来改变刚度比，进行了刚度比(kn/ks)试验，线性拟合试验结果得到界面抗剪力学参数，刚度比主要影响粘聚力值。
16.优选为，所述步骤4中以往学者主要注重填料的摩擦系数(pebble-fric)对抗剪特性的影响，却忽略了侧壁摩擦系数(wall-fric)，或者将侧壁摩擦系数置零，这与室内试验存在一定不同，通过改变pebble-fric和wall-fric，分别探究其对抗剪强度参数的影响规律。填料摩擦系数主要影响内摩擦角及主应力峰值，侧壁摩擦系数对各宏观力学参数影响均不是最强，但不可忽略。
17.优选为，所述步骤4中在选定细观参数基础上，改变墙体摩擦系数，研究其对抗剪强度参数影响规律，分别进行墙体摩擦系数多次试验，本情况下墙体摩擦系数最大值为0.5，是因为考虑到实际试验时，通常会采取一定的方法减小侧壁摩擦，使之小于填料内摩擦角，所选定颗粒摩擦系数为0.5，则墙体最大摩擦系数为0.5。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
19.本发明通过开发空间对称的颗粒形状，应用pfc3d建立三维数值三轴试验，进行单因素改变条件下的一系列数值三轴试验，着重研究用于模拟散粒状土的线性接触模型的细观参数(法向刚度kn，切向刚度ks，摩擦系数fric)与剪切力学参数(粘聚力c，内摩擦角φ)、主应力峰值及其对应应变量之间的关联性，所得宏-细观参数关联性对于线性接触模型参数标定过程具有一定参考价值。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
2.图1为本发明具体实施方式中一种pfc3d内置线性接触模型各细观参数与宏观力学参数之间的关联性的流程图；
22.图2为本发明具体实施方式中三轴试验模型图；
23.图3为本发明具体实施方式中所用非球形颗粒及其剖面图；
24.图4为本发明具体实施方式中级配曲线图；
25.图5为本发明具体实施方式中尾矿砂及侧壁墙体初步细观参数假定图；
26.图6为本发明具体实施方式中初步选定的细观参数下的莫尔圆图；
27.图7为本发明具体实施方式中三种工况所得结果汇总图；
28.图8为本发明具体实施方式中工况ⅰ偏应力-轴向应变图；
29.图9为本发明具体实施方式中工况ⅱ偏应力-轴向应变图；
30.图10为本发明具体实施方式中工况ⅲ偏应力-轴向应变图；
31.图11为本发明具体实施方式中各宏观参数影响程度结果汇总图；
具体实施方式
32.本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
33.本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
34.步骤1：建立尾矿砂三轴三维试验模型；
35.步骤2：选定尾矿砂参数假定；
36.步骤3：确定级配曲线及对比试验的分析；
37.步骤4：采用clump命令开发了非球形颗粒，进行单因素改变条件下的一系列数值三轴试验；
38.步骤5：分析得到线性接触模型细观参数对其表现出的宏观力学特性非单因素影响，其存在一定的交叉影响作用，但对每个宏观力学参数均存在一个占主导地位的控制性细观参数，其影响程度远超其余细观参数。
39.a建立试验模型如图2所示，试件尺寸为高＝8cm，直径＝4cm。
40.b因尾矿粒径较小，在建立数值试验模型时，对其粒径放大后，其粒径与模型尺寸之比与原粒径与室内试验尺寸之比之间相差较大，这是难以避免的，在此条件下再去模仿其真实形状，似乎是没有必要的。目前，进行pfc数值模拟试验的一项重要工作即确定颗粒粒径和模型尺寸。用纯球形颗粒对砂类土进行模拟，所得到相近的宏观力学特性，球形颗粒需要提高细观参数，并且存在诸多弊端。通常在试验中学者均采用clump命令二次开发非球形颗粒，以使模拟试验结果更加准确。
41.c所用非球形颗粒如图3所示，其由一个中间半径为2的大球及空间对称分布的半径为1.5的小球组成，其特征在于，这种颗粒形状很好的保持了颗粒的空间各向同性。因级配是砂土所固有的颗粒组成特征，室内筛分试验所得不均匀系数cu＝4《5，曲率系数cc＝1，可判断为级配不良砂，在数值模拟中对粒径进行一定调整，以保证cu和cc不变，即不改变其级配的优良性为原则，旨在最大限度模拟真实的砂颗粒间相互嵌锁的紧密接触状态，级配曲线如图4所示。
42.d结合经验，通过不断调整模型参数进行试算，初步选定尾矿砂的细观参数见图5，莫尔圆及强度包络线如图6所示
43.e在图5中的细观参数的基础上，模拟考虑级配的非球形颗粒(工况ⅰ)、考虑级配的球形颗粒(工况ⅱ)及不考虑级配非球形颗粒(工况ⅲ)三种工况，以此来探究颗粒形状及级配的影响其中不考虑级配时颗粒粒径取为考虑级配时的平均粒径(d
50
＝0.55mm)。通过试算发现，在100kpa围压下，主应力峰值普遍偏小，而200、300、400kpa围压下所得结果强度包络线较准确，其原因可能是因为采用的是非球形颗粒，在围压较小的情况下，能充分体现其棱角特征所引起的抗剪强度。在相同细观参数下的三种工况所得结果如图7所示，工况ⅰ、ⅱ、ⅲ偏应力-轴向应变如图8、9、10所示。因此，与室内试验结果对比可知，工况ⅰ所得结果与室
内试验结果更加一致，在pfc3d数值模拟中，以更加接近室内试验结果为原则，着重考虑级配及颗粒形状对试验结果的影响。
44.f在初步选定的细观参数基础上，分别进行了颗粒法向刚度(kn)从7.0
×
105至4.0
×
106共11组数值计算。
45.g在初步选定的细观参数基础上，通过仅改变切向刚度ks的值来改变刚度比，进行了刚度比(kn/ks)从1.0～10.0共12组数值模拟。
46.h以往学者主要注重填料的摩擦系数(pebble-fric)对抗剪特性的影响，却忽略了侧壁摩擦系数(wall-fric)，或者将侧壁摩擦系数置零，这与室内试验存在一定不同，通过改变pebble-fric和wall-fric，分别探究其对抗剪强度参数的影响规律。在初步选定的模型细观参数的基础上，开展pebble-fric在0.4至3.0之间改变的共10次数值计算。
47.i在初步选定的细观参数基础上，仅改变侧壁摩擦系数(wall-fric)，研究其对抗剪强度参数的影响规律，在ks为6.7
×
105n/m和1.0
×
106n/m两种工况下，分别开展wall-fric为0.2、0.3、0.4、0.5共8次计算，本研究中wall-fric最大值为0.5，是因为考虑到实际模拟时，通常会采取一定的方法减小侧壁摩擦，使之小于填料内摩擦角，选定的pebble-fric为0.5，则最大wall-fric为0.5。
48.j在选定细观参数基础上，改变墙体摩擦系数，研究其对抗剪强度参数影响规律，在ks为6.7
×
105n/m和1.0
×
106n/m两种工况下，分别进行墙体摩擦系数为0.2，0.3，0.4，0.5共八次试验，本情况下墙体摩擦系数最大值为0.5，是因为考虑到实际试验时，通常会采取一定的方法减小侧壁摩擦，使之小于填料内摩擦角，所选定颗粒摩擦系数为0.5，则墙体最大摩擦系数为0.5。
49.k计算中4种细观参数取值基本取到宏观力学参数变化趋势明显放缓为止，旨在使各参数所得结果可比性更强，各宏观参数受各细观参数变化影响的变化率绝对值汇总于图11。
50.l从以上结果可以看出，对粘聚力影响程度kn/ks＞wall-fric＞pebble-fric＞kn，填料摩擦系数及接触刚度影响程度均小于刚度比，大约为其影响程度的1/3，墙体影响程度大约为其1/2，对内摩擦角影响程度pebble-fric＞kn/ks＞wall-fric＞kn，填料摩擦系数对其影响程度远超其余三个细观参数，均在6倍以上，对主应力峰值影响程度pebble-fric＞kn/ks＞kn＞wall-fric，后三者影响程度基本相同，填料摩擦系数影响程度大约为其17倍以上，对峰值应力对应应变量影响程度kn＞wall-fric＞kn/ks＞pebble-fric，填料摩擦系数几乎没有影响，墙体摩擦系数和刚度比影响程度基本相同，接触刚度为其12倍以上。
51.m对各宏观参数的影响均存在一个明显占主导地位的主控因素，其对某参数影响程度远超其它三个，由此可知，在选定细观参数时，应根据注重的宏观参数不同而着重于调整特定的细观参数。
52.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书所限定的保护范围为准。