一种砂卵石土三轴剪切离散元模型细观参数标定方法技术

本发明专利技术属于离散元模型细观参数标定技术领域，公开了一种砂卵石土三轴剪切离散元模型细观参数标定方法，通过PFC2D/3D软件建立砂卵石三轴剪切数值模型，选择接触模型，确定标定的宏观、细观参数及其范围；利用正交试验设计数值试验方案；利用PFC2D/3D软件按照试验方案进行数值试验；采用多因素方差分析各细观参数对宏观力学参数影响的显著性，并筛选出影响宏观力学指标的主要细观参数；通过回归分析建立宏观参数与各主要细观参数之间的线性关系式；将标定问题转化为多目标函数数学规划问题求解，并将数值试验结果与典型砂卵石土的物理试验结果进行对比验证。本发明专利技术的解决了“试错法”标定过程中存在的盲目性和费时耗力的问题。标定过程中存在的盲目性和费时耗力的问题。标定过程中存在的盲目性和费时耗力的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种砂卵石土三轴剪切离散元模型细观参数标定方法


[0001]本专利技术属于离散元模型细观参数标定
，尤其涉及一种砂卵石土三轴剪切PFC3D模型细观参数标定方法。

技术介绍

[0002]目前，砂卵石地层在我国成都、北京、沈阳、兰州等地广泛分布。砂卵石土是对以卵石、砾石为主，含有少量砂土及黏性土的离散碎屑堆积物的统称。砂卵石土具有卵石含量高，单个卵石粒径大、抗压强度高，土体黏聚力低、孔隙率大、透水性强等特点，属于典型的力学不稳定层。因此在砂卵石地层中修建地下工程的过程中出现了许多工程问题，比如地表塌陷、地层空洞、掌子面涌砂突水等。因此研究砂卵石土的物理力学特性具有重大的工程意义。
[0003]数值试验具有低成本、易重复等优点往往作为物理试验很好的补充。近年来随着颗粒流(PFC)数值模拟技术不断发展，因其可以方便处理非连续介质力学问题被广泛应用于岩土力学数值试验。在对砂卵石的力学性质进行颗粒离散元数值模拟研究时，需要根据宏观力学响应对颗粒流数值模型进行细观参数的标定。国内外学者对细观参数标定做了大量的研究。Potyondy等研究发现在不考虑颗粒级配情况下，最大最小粒径比R
max
/R
min
＝1.66时生成的模型较为均匀且符合岩土材料实际的物理力学性质。赵国彦等研究发现在不考虑颗粒级配情况下，颗粒粒径比(R
max
/R
min
)在1～5范围内时，对模型的力学特性几乎无影响。周喻等对模型尺寸与颗粒粒径的关系进行了研究，发现当模型最小尺度RES＝(L/R
min
)[1/(1+R
max
/R
min
)]≥10时，颗粒的尺寸及数量对模型宏观力学参数的影响较小。阿比尔的等研究发现，当孔隙率在0.04～0.32范围内时，对初始弹性模量、峰值应力、黏聚力和内摩擦角影响不大。魏龙海建立了三轴数值试验模型，对不同密实度的砂卵石土细观参数进行了标定。耿丽等以PFC3D为工具，引入接触黏结模型，分析了颗粒摩擦系数、黏结强度和颗粒簇对粗粒土应力应变曲线的影响。简鹏基于室内试验结果，通过PFC3D进行数值试验，再现了不同含水率、密度和粗粒含量砂卵石土的应力应变曲线。以上研究大都是基于试错法，该过程非常耗时。
[0004]学者们针对试错法费时费力问题开展了大量的研究，进行了一定改进。郝保钦采用正交试验设计方法对平行黏结模型细观参数标定方法进行了研究，利用回归分析建立了宏观力学参数与细观参数之间的关系。王晋伟等采用正交试验与等值线法相结合的方法，在优化细观参数取值范围和分析宏观响应对细观参数敏感性的基础上快速确定了堆石料的细观参数。张宝玉等采用正交数值试验方法研究了平行节理模型细观参数与宏观参数之间的相关性，提出了岩石细观参数标定流程。J.Yoon等利用PB建立了宏观力学指标和细观参数之间的线性的关系，然后利用响应曲面法考查了显著影响参数之间的相互作用，确立了宏观宏观力学指标和细观参数之间的非线性的关系，最后将问题转化为非线性多目标数学规划问题。以上研究大都集中在对岩石细观参数的标定的问题上。
[0005]根据上述调研发现目前砂卵石土细观参数标定大都采用“试错法”，缺少系统深入
的研究。因此，亟需设计一种新的砂卵石土三轴剪切PFC3D模型细观参数标定方法，以弥补现有技术的缺陷。
[0006]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：目前的砂卵石土细观参数标定研究大都是基于试错法，该过程非常耗时，且缺少系统深入的研究。
[0007]解决以上问题及缺陷的难度为：
[0008](1)目前缺少典型砂卵石土的宏观力学参数的取值范围；
[0009](2)目前对典型砂卵石土应采用的接触模型不统一，细观参数取值范围不明确；
[0010](3)目前普遍采用的试错法，大部分在“凑参数”，这导致了对各细观参数对宏观参数的影响的研究并不系统，认识并不明确；
[0011](4)标定所选的宏、细观参数众多，并且各个参数之间存在交互影响，因此想厘清细观参数与宏观参数之间的关系难度大；
[0012](5)目前数值试验对数值试验参数取值并不明确，试验过程耗时严重；
[0013](6)目前还没有一种标定的方法，快速给出宏观参数对应的细观参数。解决以上问题及缺陷的意义为：本专利技术的方法基于大量的文献调研给出了典型砂卵石土的宏观力学参数取值范围；基于大量的数值试验，明确了适用于砂卵石土的细观接触模型以及细观参数的取值范围，对数值试验参数给出了合理的参考值；并采用正交试验和方差分析的数理统计方法科学地分析了细观参数对宏观参数的影响；最后将标定问题转化为多目标函数优化问题，提出了标定方法。本专利技术的方法解决了“试错法”标定过程中存在的盲目性，解决了费时耗力的问题，使复杂的标定问题转变简单的数学问题，对离散元的推广使用有重要的意义。

技术实现思路

[0014]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种砂卵石土三轴剪切离散元模型细观参数标定方法。
[0015]本专利技术是这样实现的，一种砂卵石土三轴剪切离散元模型细观参数标定方法，所述砂卵石土三轴剪切离散元模型细观参数标定方法包括以下步骤：
[0016]步骤一，通过PFC2D/3D软件建立砂卵石三轴剪切数值模型，选择接触模型，确定标定的宏观、细观参数及其范围；
[0017]步骤二，利用正交试验设计方法进行数值试验方案的设计；
[0018]步骤三，利用PFC2D/3D软件按照试验方案进行数值试验；
[0019]步骤四，采用多因素方差分析的方法分析各细观参数对宏观力学参数影响的显著性，并筛选出影响宏观力学指标的主要细观参数；
[0020]步骤五，通过回归分析建立宏观参数与各主要细观参数之间的线性关系式；
[0021]步骤六，将标定问题转化为多目标函数数学规划问题进行求解，并将数值试验结果与典型砂卵石土的物理试验结果进行对比验证。
[0022]进一步，所述砂卵石土三轴剪切离散元模型细观参数标定方法中，线性接触粘结模型需要输入的细观参数包括线性组和接触粘结组；其中，所述线性组，包括接触有效模量E
c
、法向切向刚度比k
n
/k
s
和摩擦系数μ；所述接触粘结组，包括黏结控制间隙、黏结抗拉强度σ
c
和黏结抗剪强度τ
c
。
[0023]进一步，步骤三中，所述利用正交试验设计方法进行数值试验方案的设计，包括采用PFC3D通过编写三轴剪切程序以实现制样、施加围压以及加载过程：
[0024](1)制样：本次数值试验暂不考虑颗粒级配的影响，根据《土工试验标准》取模型尺寸H
×
L＝600mm
×
300mm；颗粒采用球和颗粒簇两种形式，取L/R
min
＝30，R
max
/R
min
＝1.66，孔隙率n＝0.32，颗粒密度为270本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种砂卵石土三轴剪切离散元模型细观参数标定方法，其特征在于，所述砂卵石土三轴剪切离散元模型细观参数标定方法包括以下步骤：步骤一，通过PFC2D/3D软件建立砂卵石三轴剪切数值模型，选择接触模型，确定标定的宏观、细观参数及其范围；步骤二，利用正交试验设计方法进行数值试验方案的设计；步骤三，利用PFC2D/3D软件按照试验方案进行数值试验；步骤四，采用多因素方差分析的方法分析各细观参数对宏观力学参数影响的显著性，并筛选出影响宏观力学指标的主要细观参数；步骤五，通过回归分析建立宏观参数与各主要细观参数之间的线性关系式；步骤六，将标定问题转化为多目标函数数学规划问题进行求解，并将数值试验结果与典型砂卵石土的物理试验结果进行对比验证。2.如权利要求1所述的砂卵石土三轴剪切离散元模型细观参数标定方法，其特征在于，所述砂卵石土三轴剪切PFC2D/3D模型建立中：(1)接触模型的选择数值模型采用的细观接触模型为线性接触粘结模型，线性接触粘结模型通过增加颗粒间的黏结强度模拟卵石颗粒之间的嵌固、咬合作用，反应砂卵石土的特征；(2)宏观参数的选择颗粒流三轴剪切细观参数的标定通常以数值模型的应力应变关系及破坏包线与室内试验结果相符为标准；宏观特性指标选取应遵循以下原则：
①
选定的指标从试验中获得；
②
选定的指标能较好描述所标定曲线的形态；选取初始弹性模量E0、峰值强度σ
f
、黏聚力c和内摩擦角四个参数作为宏观指标。(3)细观参数的选择线性接触黏结模型各细观参数对宏观参数的影响规律：宏观弹性模量与接触有效模量线性相关；泊松比随着法向切向刚度比的增大而增大；颗粒间的切向、法向黏结强度和摩擦系数主要与峰值强度相关；颗粒簇的含量提高抗剪强度；基于结论选择接触有效模量E
c
、法向切向刚度比k
n
/k
s
、颗粒间摩擦系数μ、黏结抗剪强度σ
c
、黏结抗拉强度τ
c
以及颗粒簇clump的含量作为本次数值试验的细观参数指标；(4)宏、细观参数的取值范围选取6个细观参数和4个宏观参数作为标定的指标，每个因素选取四个水平；通过数值试验发现，在所选的因素水平的不同组合下，所述细观参数的取值范围如下：E
c
:20MPa～200MPa；k
n
/k
s
:1～4；σ
c
:0.25～1.0MPa；τ
c
:0.25～1.0MPa；得到的宏观参数范围：初始弹性模量E0：10MPa～100MPa，围压为300kPa；峰值强度σ
f
：500kPa～2050kPa，围压为300kPa；黏聚力c：0～600kPa；内摩擦角17
°
～47
°
；在所选的因素水平下，得到的宏观力学指标范围覆盖大部分砂卵石土的宏观力指标范围。3.如权利要求1所述的砂卵石土三轴剪切离散元模型细观参数标定方法，其特征在于，步骤二中，所述利用正交试验设计方法进行数值试验方案的设计，包括因素水平和正交表的选取：
所述因素水平的选取包括：因素水平1：E
c
＝20MPa，k
n
/k
s
＝1，μ＝0.25，σ
c
＝0.25MPa，τ
c
＝0.25MPa，clump＝25％；因素水平2：E
c
＝80MPa，k
n
/k
s
＝2，μ＝0.50，σ
c
＝0.50MPa，τ
c
＝0.50MPa，clump＝50％；因素水平3：E
c
＝140MPa，k
n
/k
s
＝3，μ＝0.75，σ
c
＝0.75MPa，τ
c
＝0.75MPa，clump＝75％；因素水平4：E
c
＝200MPa，k
n
/k
s
＝4，μ＝1.00，σ
c
＝1.00MPa，τ
c
＝1.00MPa，clump＝100％；所述利用正交试验方法设计实验方案，其特征在于正交表是根据正交原理设计的，已规范化的表格，是正交设计中安排试验和分析试验结果的节本工具，用L
n
(r
m
)表示；其中L为正交表的代号；n为正交表的横行数，即试验次数；r为因素水平数；m为正交表的纵列数，最多能安排的因素个数；正交表中，在任何一列中各水平都出现且出现的次数相同；任意两类之间各种不同水平的所有可能组合都出现且出现的次数相等。4.如权利要求1所述的砂卵石土三轴剪切离散元模型细观参数标定方法，其特征在于，步骤三中，所述数值试验主要包括以下步骤：(1)制样：本次数值试验暂不考虑颗粒级配的影响，取模型尺寸H
×
L＝600mm
×
300mm；颗粒采用球和颗粒簇两种形式，取L/R
min
＝30，R
max
/R
min
＝1.66，孔隙率n＝0.32，颗粒密度为2700kg/m3，接触模型及参数根据试验方案输入；通过膨胀法使颗粒均匀填充满整个试验容器，生成的颗粒数在20000个；(2)施加围压：数值试验中，对每一组试样分别施加100kPa、200kPa和300kPa三组围压；恒定围压的施加通过监测每一计算步内，边墙与颗粒之间的接触压力与设定围压之间的差值，进而调整边墙位移达到的；(3)竖向加载：加载过程是通过赋予上、下加载板一定速度实现，加载速度不能过快，保持试样处于准静力状态，否则将对试验结果的准确度产生影响，并且砂卵石土力学特性与加载速率有关系；加载速率为1.2mm/s，在剪切过程中，通过监测发现试样内的不平衡力率小于1
×
10
‑4，围压变化幅度不超过0.3％；(4)终止加载：有峰值时，试验进行值轴向应变达到峰值出现后的3～5％时，则终止加载；如无峰值时，则轴向应变达15％时终止加载。5.如权利要求1所述的砂卵石土三轴剪切离散元模型细观参数标定方法，其特征在于，步骤四中，所述方差分析，包括：方差分析用于估计误差的大小，估...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏英杰，李鹏飞，李刚，夏俊卫，王帆，陶琦，罗振平，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：