一种岩土颗粒破坏局部化识别方法技术

本发明专利技术公开了一种岩土颗粒破坏局部化识别方法，涉及岩土工程灾害研究领域。该方法定义一种无量纲的颗粒接触变形指标作为变形破坏程度的衡量指标，全面考虑了颗粒平移和旋转运动及接触断开后的持续变形，并定义了相应的阈值及确定方法，将变形指标大于阈值的区域判别为岩土体的破坏局部化区域，可识别地下硐室开挖围岩破裂、滑坡滑动面(带)等诸多岩土工程的灾变性破坏。本发明专利技术计算方法简易实用，结果可靠，岩体和土体均适用，可明确地确定破坏范围，改进了以往数值模拟方法根据变形云图颜色深浅定性判断变形破坏局部化的不足。

【技术实现步骤摘要】
一种岩土颗粒破坏局部化识别方法
本专利技术涉及岩土工程灾害研究领域，具体涉及一种岩土颗粒破坏局部化识别方法。
技术介绍
岩土体的变形破坏局部化在岩土工程(如地下硐室围岩破坏和滑坡灾害等)中广泛存在并对工程稳定性起到控制性影响。因此，如何精确识别及控制变形破坏局部化区域是岩土工程稳定性评价和防治的关键。数值模拟技术是岩土工程变形破坏及稳定性分析的重要手段，尤其是离散元方法，在模拟岩土体大变形、破裂、分离及复杂运动方面具有明显优势。然而，以往离散元方法在研究岩土体变形局部化时多采用颗粒位移场、颗粒旋转场、接触断裂分布等进行分析，如文献“砂土直剪试验离散元数值模拟与细观变形机理研究，长江科学院院报，2017，34(4):104-110”和文献“砂土直剪力学性状的非圆颗粒模拟与宏细观机理研究，岩土工程学报，2010，32(10):1557-1565”。但这些方法实际上仅考虑了颗粒的某一运动或接触是否断裂，如颗粒位移场仅考虑了颗粒平移而未考虑颗粒旋转，颗粒旋转场正好相反，接触断裂分布则仅考虑了接触是否断裂而未考虑断裂后的持续变形情况，并且一般采用云图来显示颗粒位移场等，定性地将深颜色区域作为变形破坏局部化区域，其分辨率受云图色阶影响，故采用这些方法识别变形破坏局部化区域不可避免地带来偏差。因此，为解决上述问题，就需要一种全面考虑颗粒平移、旋转、接触断裂后的持续变形、可明确确定破坏范围的变形破坏局部化识别方法。本申请定义了一种综合考虑以上因素的颗粒接触变形指标及定量的阈值来分析岩土体的破坏局部化，提高了破坏局部化识别的科学性和精度，可应用于地下硐室开挖围岩破裂区识别、滑坡滑动面(带)识别等诸多岩土工程，具有重要的工程应用意义。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种岩土颗粒破坏局部化识别方法，其根本特点在于定义一种无量纲的颗粒接触变形指标及相应的阈值，根据该变形指标阈值将岩土体的大变形区域(即破坏局部化)识别出来；本专利技术计算方法简易，岩体和土体均适用，结果可靠，通过阈值明确确定破坏局部化范围，即大于该阈值则发生破坏局部化，为一种定量的方法，改进了以往数值模拟方法根据变形云图颜色深浅定性判断变形破坏局部化的不足。本专利技术的技术方案是：一种岩土颗粒破坏局部化识别方法，该方法的步骤是：步骤1：建立岩土体颗粒离散元数值模型，根据岩土体物理力学属性确定颗粒接触本构模型及参数；步骤2：定义接触点处两侧颗粒的两接触点A、B的相对位移lAB与两颗粒m、n的半径之和(rm+rn)的比值为颗粒接触变形指标ξ，即ξ＝lAB/(rm+rn)，并在数值计算过程中实时计算和记录所有颗粒接触变形指标；步骤3：根据Nξ/Ntot-ξ曲线的曲率最大点确定用于识别破坏局部化的颗粒接触变形指标阈值ξthr，将ξ大于阈值ξthr的区域判别为破坏局部化区域，ξ小于阈值ξthr的区域判别为未破坏区；Nξ/Ntot为大于某颗粒接触变形指标ξ的接触数量Nξ占总的初始接触数量Ntot的比值；步骤4：将ξ大于阈值ξthr的区域的颗粒接触变形用线段显示，从而对岩土体破坏局部化区域进行了识别。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益技术效果：1.本专利技术方法针对颗粒离散元法模拟的岩土体变形破坏，定义一种无量纲的颗粒接触变形指标作为变形破坏程度的衡量指标，该指标全面考虑了颗粒平移和旋转运动及接触的持续变形，并定义了相应的阈值，可很好地确定岩土体破坏局部化区域。2.本专利技术方法简单实用，结果可靠，可明确地确定土体和岩体的破坏区范围，如地下硐室围岩开挖破坏、滑坡滑动面和破裂带等，适用范围广，具有良好的应用前景。3.本专利技术方法不同于以往根据变形云图判断变形破坏局部化的定性方法，丰富了岩土体变形破坏局部化识别方法。附图说明图1为本专利技术方法步骤流程图；图2为颗粒接触变形示意图；图3为根据Nξ/Ntot-ξ曲线定义用于识别破坏局部化的阈值ξthr的示意图；图4为采用本专利技术方法识别的地下硐室开挖围岩破裂区的结果示意图；图5为采用本专利技术方法识别的滑坡破坏区的结果示意图。具体实施方式为使本领域技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。本专利技术岩土颗粒破坏局部化识别方法，包括以下步骤(图1)：步骤1：建立岩土体颗粒离散元数值模型，根据岩土体物理力学属性确定颗粒接触本构模型及参数；步骤2：定义一种无量纲的颗粒接触变形指标ξ＝lAB/(rm+rn)，并在数值计算过程中实时计算和记录所有颗粒接触变形指标；步骤3：根据Nξ/Ntot-ξ曲线的曲率最大点确定用于识别破坏局部化的颗粒接触变形指标阈值ξthr，将ξ大于阈值ξthr的区域判别为破坏局部化区域，ξ小于阈值ξthr的区域判别为未破坏区；步骤4：将ξ大于阈值ξthr的区域的颗粒接触变形用线段显示，从而对岩土体破坏局部化区域进行了识别。进一步，所述的步骤1中，颗粒接触本构模型及参数确定如下：对于松散土体可采用无粘结强度的接触本构模型，对于粘性土可采用粘结接触本构模型，对于岩体可采用平行粘结接触本构模型，可采用常用的参数反演法确定接触本构模型的具体参数，即不断调试参数直到力学性质如弹性模量、抗压强度等与实际岩土体相近。从颗粒接触本构模型中可以获得总的初始颗粒接触总数量及对应不同颗粒接触变形指标下的接触数量。进一步，所述的步骤2中，无量纲的颗粒接触变形指标具体为接触点处两侧颗粒的两接触点A、B的相对位移(lAB)与两颗粒m、n的半径之和(rm+rn)的比值，具体计算见公式(1)(公式中几何变量意义见图2)：其中接触点A发生接触变形后的坐标为(xA、yA)，接触点B发生接触变形后的坐标为(xB、yB),rm为颗粒m的半径，rn为颗粒n的半径，颗粒m初始接触状态的圆心坐标为(xm、ym)，颗粒n初始接触状态的圆心坐标为(xn、yn)，颗粒m发生接触变形后的圆心坐标为(x’m、y’m)，颗粒n发生接触变形后的圆心坐标为(x’n、y’n)；λm为初始接触状态时接触点A所在颗粒半径与水平面的夹角(逆时针方向为正)；λn为初始接触状态时接触点B所在颗粒半径与水平面的夹角；lAB为发生接触变形时，两接触点A、B的相对位移；ωm、ωn分别为接触变形发生时接触点A、B所在的相应颗粒半径相对水平方向变化的角度,即旋转角；公式中vm,i和vn,i分别为第i时步(即“时间步”)颗粒m和n的角速度，Δti为第i时步的时间。当两个颗粒发生旋转运动时，两颗粒可以仍然保持接触状态，但两颗粒的初始接触点发生了相对位移，二者之间具有距离，通过二者之间的距离能够反映出颗粒的旋转变化。本专利技术方法能够定量的显示出颗粒发生破坏局部化后的综合影响，包括颗粒平移、旋转及接触的持续变形。进一步，所述的步骤3中，颗粒接触变形指标阈值ξthr具体确定方法为(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种岩土颗粒破坏局部化识别方法，该方法的步骤是：/n步骤1：建立岩土体颗粒离散元数值模型，根据岩土体物理力学属性确定颗粒接触本构模型及参数；/n步骤2：定义接触点处两侧颗粒的两接触点A、B的相对位移l

【技术特征摘要】
1.一种岩土颗粒破坏局部化识别方法，该方法的步骤是：
步骤1：建立岩土体颗粒离散元数值模型，根据岩土体物理力学属性确定颗粒接触本构模型及参数；
步骤2：定义接触点处两侧颗粒的两接触点A、B的相对位移lAB与两颗粒m、n的半径之和(rm+rn)的比值为颗粒接触变形指标ξ，即ξ＝lAB/(rm+rn)，并在数值计算过程中实时计算和记录所有颗粒接触变形指标；
步骤3：根据Nξ/Ntot-ξ曲线的曲率最大点确定用于识别破坏局部化的颗粒接触变形指标阈值ξthr，将ξ大于阈值ξthr的区域判别为破坏局部化区域，ξ小于阈值ξthr的区域判别为未破坏区；Nξ/Ntot为大于某颗粒接触变形指标ξ的接触数量Nξ占总的初始接触数量Ntot的比值；
步骤4：将ξ大于阈值ξthr的区域的颗粒接触变形用线段显示，从而对岩土体破坏局部化区域进行了识别。


2.根据权利要求1所述的一种岩土颗粒破坏局部化识别方法，其特征在于：所述的步骤1中，颗粒接触本构模型及参数确定方式是：
对于松散土体采用无粘结强度的接触本构模型，对于粘性土采用粘结接触本构模型，对于岩体采用平行粘结接触本构模型；同时采用常用的参数反演法确定接触本构模型的具体参数，即不断调试参数直到力学性质如弹性模量、抗压强度等与实际岩土体相近。


3.根据权利要求1所述的一种岩土颗粒破坏局部化识别方法，其特征在于：所述的步骤2中，颗粒接触变形指标考虑了颗粒平移和旋转运动及接触的持续变形，具体计算过程是：









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【专利技术属性】
技术研发人员：岑夺丰，黄达，汤明高，邓启华，苏勇，宋宜祥，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12