一种土体吸水膨胀多场耦合离散元快速建模方法技术

本发明专利技术提出了一种土体吸水膨胀多场耦合离散元快速建模方法，采用PFC2D（Particle Follow Code 2D）二维颗粒流程序中已有的平行粘结模型，赋予土体二维离散单元传热属性；考虑用温度场模拟渗流场，对离散单元抗剪强度等力学性质的影响，建立渗流场和应力场的耦合；根据试验数据建立含水量和土体的二维离散单元膨胀量的关系，并在离散元法中计算土体的二维离散单元的变形破坏，实现粘土土体膨胀和开裂变形过程的多场耦合离散元快速模拟与建模。本发明专利技术能够实现多场作用离散元快速建模，能很好地对渗流场进行模拟，并能考虑渗流场变化对单元体积和强度的影响。单元体积和强度的影响。单元体积和强度的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种土体吸水膨胀多场耦合离散元快速建模方法


[0001]本专利技术涉及土体吸水膨胀的
，尤其涉及一种土体吸水膨胀多场耦合离散元快速建模方法。

技术介绍

[0002]膨胀土是主要由伊利石、蒙脱石及高岭石或蒙脱石
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伊利石等矿物成分构成的黏性土，亲水性强，具有遇水膨胀、失水收缩的特点。膨胀土亦称“胀缩性土”，也是由于其浸水后体积剧烈膨胀，失水后体积显著收缩的原因。膨胀土具有很高的膨胀潜势，这与它含水量的大小及变化有关。如果其含水量保持不变，则不会有体积变化。在工程施工中，建造在含水量保持不变的粘土上的构造物不会遭受由膨胀而引起的破坏，但当黏土的含水量发生变化，立即就会产生垂直和水平两个方向的体积膨胀。含水量的轻微变化，仅1％～2％的量值，就足以引起有害的膨胀。膨胀土虽具有很高的承载力，但被水浸泡后体积迅速膨胀，性质极不稳定。在工程实际中，由于受到气候等因素的影响，都会经历一定的干湿交替作用，这一过程使土体强度产生不可逆的变化。这类土对建筑物会造成严重危害，但在天然状态下强度一般较高，压缩性低，易被误认为是较好的地基。因此，膨胀土在岩土工程、环境工程、农业工程、矿业工程、地质学等多个领域都受到重视。
[0003]现有膨胀土吸水膨胀模拟方法常利用有限差分软件FLAC2D，通过多场耦合的数值计算思路模拟膨胀土的吸湿膨胀，此方法的优点是能够通过软件程序实时模拟土的吸湿膨胀效应，实现了考虑地下水位和渗透系数变化、强度衰减三因素下的膨胀土坡渗流场
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位移场
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应力场的三场耦合；缺点是目前应用较广的有限单元法在解决实际问题时，需预先设定材料的宏观本构模型，另在处理不连续问题中存在缺陷。
[0004]申请号为201610841454.0的专利技术专利公开了一种土体失水开裂多场耦合离散元快速模拟建模方法，即用于粘性土失水开裂的多场耦合离散元建模和模拟方法，包括：1)构建三维紧密堆积离散元模型，赋予单元含水量属性，采用有限差分思想实现水分场模拟；2)考虑水分场对离散单元抗拉强度等力学性质的影响，建立水分场和应力场的耦合；3)假定土体的三维紧密堆积离散元模型表面水分以一定速率蒸发，根据试验数据建立含水量和土体的三维离散单元收缩量的关系，并在离散元方法中计算土体的三维离散单元的变形破坏，实现粘土土体蒸发失水、收缩和开裂变形过程的多场耦合离散元快速模拟与建模。实现粘土蒸发失水、收缩和开裂变形过程的多场耦合模拟。该专利技术为多场作用下土体变形破坏模拟提供了一个新的方法。上述专利技术是水分场和应力场的耦合，假定土体的三维紧密堆积离散元模型表面水分以一定速率蒸发，根据试验数据建立含水量和土体的三维离散单元收缩量的关系，研究的是土体水分蒸发后干缩开裂的情况，本专利技术则是建立渗流场和应力场的耦合，研究土体吸水后膨胀的情况。

技术实现思路

[0005]针对现有膨胀土吸水膨胀模拟方法难以较为清晰的模拟膨胀土吸水膨胀后产生
的裂缝的技术问题，本专利技术提出一种土体吸水膨胀多场耦合离散元快速建模方法，通过赋予离散元单元含水量属性，采用温度导热的思想实现膨胀土中的渗流场模拟；同时，考虑渗流场对土体抗剪强度等力学性质的影响，建立渗流场和应力场的耦合，由此实现多场作用下膨胀土吸水膨胀开裂变形过程的二维离散元数值模拟。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种土体吸水膨胀多场耦合离散元快速建模方法，其步骤为：1)采用PFC2D软件构建二维平行粘结离散元模型，赋予土体二维离散单元传热属性；2)考虑用温度场模拟渗流场对离散单元抗剪强度等力学性质的影响，建立渗流场和应力场的耦合；3)根据试验数据建立含水量和土体的二维离散单元膨胀量的关系，并在离散元法中计算土体的二维离散单元的变形破坏，实现粘土土体膨胀和开裂变形过程的多场耦合离散元快速模拟与建模。
[0007]优选地，其步骤为：
[0008]步骤1.根据模型和颗粒半径建立土体的二维离散元模型，设置二维离散元模型的几何参数；
[0009]步骤2.给颗粒设置接触，在二维离散元模型上增加胶结弹簧，赋予土体的二维离散单元含水量属性，用温度场模拟渗流场，构建土体的二维线性接触黏结离散元模型，通过温度的热胀冷缩来模拟土体吸水膨胀；
[0010]步骤3.设定二维离散单元的初始温度；
[0011]步骤4.对二维线性接触黏结离散元模型施加重力作用，完成预平衡；
[0012]步骤5.采用离散元法对完成预平衡后的二维线性接触黏结离散元模型的膨胀变形和开裂进行运算，通过迭代运算完成土体吸水膨胀开裂模拟；
[0013]步骤6.输出数值模拟结果。
[0014]优选地，所述二维离散元模型的几何参数包括土的密度、四面墙体的长宽和颗粒的半径范围；所述二维离散元模型是由墙体和颗粒组成的模型，用来模拟实际试验当中的土体。
[0015]优选地，设置胶结弹簧是PFC2D软件中的线性粘结模型；设置温度，通过升高温度来赋予含水量属性，通过温度的热胀冷缩来模拟土体吸水膨胀，温度对应的是含水量，温度升高相当于含水率增大，对应的膨胀系数增大，温度越高含水量越大，颗粒膨胀的越大，那么膨胀率就越大，裂隙越大。
[0016]优选地，设置土体颗粒的基本属性参数包括颗粒的半径，输入土体的力学性质包括土的拉伸强度、土的黏性强度和内摩擦角。设定土体颗粒初始力学参数包括弹性模量、刚度、强度，模型颗粒单元间考虑正向和切向作用力，确定一下参数：法向刚度系数、切向刚度系数、弹性模量、刚度比和摩擦系数。
[0017]优选地，所述施加重力作用为设置重力参数，进行多次迭代直至土体的位移量不再发生变化时，预平衡完成。
[0018]优选地，步骤5中设定膨胀系数，PFC2D软件中热模块中膨胀系数，计算热阻其中，k为导热系数；R为颗粒半径。
[0019]优选地，所述步骤5中迭代计算的模拟过程为：
[0020]步骤7.对PFC2D软件中二维颗粒流程序热模块中一维热传导方程和一维土壤水分
方程进行推导，构建水分迁移离散元模拟；
[0021]步骤8.假设各颗粒的热膨胀系数均相等，参考PFC2D软件的热模块中热膨胀概念提出颗粒胀缩的经验公式，建立颗粒膨胀离散元模型；
[0022]步骤9.设置热阻的参数；
[0023]步骤10.通过渗流场与应力场的耦合计算，采用PFC2D软件中的颗粒离散元法计算模型的膨胀变形和破坏；
[0024]步骤11.通过裂隙发展情况判断是否继续迭代，如果需要迭代，返回步骤7，否则，输出迭代结果，迭代条件为裂隙的分布情况是否在土体中合理分布。
[0025]优选地，所述热传导方程是描述一个区域内的温度如何随时间变化的偏微分方程，热传导方程关于温度的偏微分方程的一般形式为：
[0026]其中，u为热力学温度；K0为导热系数；c为土体的二维离散单元比热容；ρ为密度；Q为热源；t为温度；表示在空间各个方向上的全微分，其中K0、c、ρ均为常数；
[0027]在无热本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种土体吸水膨胀多场耦合离散元快速建模方法，其特征在于，其步骤为：1)采用PFC2D软件构建二维平行粘结离散元模型，赋予二维离散单元传热属性；2)考虑用温度场模拟渗流场对离散单元抗剪强度的力学性质的影响，建立渗流场和应力场的耦合；3)根据试验数据建立含水量与土体的二维离散单元膨胀量的关系，并在离散元法中计算土体的二维离散单元的变形破坏，实现粘土土体膨胀和开裂变形过程的多场耦合离散元快速模拟与建模。2.根据权利要求1所述的土体吸水膨胀多场耦合离散元快速建模方法，其特征在于，其步骤为：步骤1.根据模型和颗粒半径建立土体的二维离散元模型，设置二维离散元模型的几何参数；步骤2.给颗粒设置接触，在二维离散元模型上增加胶结弹簧，赋予土体的二维离散单元含水量属性，用温度场模拟渗流场，构建土体的二维线性接触黏结离散元模型，通过温度的热胀冷缩来模拟土体吸水膨胀；步骤3.设定二维离散单元的初始温度；步骤4.对二维线性接触黏结离散元模型施加重力作用，完成预平衡；步骤5.采用离散元法对完成预平衡后的二维线性接触黏结离散元模型的膨胀变形和开裂进行运算，通过迭代运算完成土体吸水膨胀开裂模拟；步骤6.输出数值模拟结果。3.根据权利要求2所述的土体吸水膨胀多场耦合离散元快速建模方法，其特征在于，所述二维离散元模型的几何参数包括土的密度、四面墙体的长宽和颗粒的半径范围；所述二维离散元模型是由墙体和颗粒组成的模型，用来模拟实际试验当中的土体。4.根据权利要求2或3所述的土体吸水膨胀多场耦合离散元快速建模方法，其特征在于，设置胶结弹簧是PFC2D软件中的线性粘结模型；设置温度，通过升高温度来赋予土体含水量属性，通过温度的热胀冷缩来模拟土体吸水膨胀，温度对应的是含水量，温度升高相当于含水率增大，对应的膨胀系数增大，温度越高含水量越大，颗粒膨胀的越大，那么膨胀率就越大，裂隙越大。5.根据权利要求4所述的土体吸水膨胀多场耦合离散元快速建模方法，其特征在于，设置土体颗粒的基本属性参数包括颗粒的半径，输入土体的力学性质包括土的拉伸强度、土的黏性强度和内摩擦角。设定土体颗粒初始力学参数包括弹性模量、刚度、强度，模型颗...

【专利技术属性】
技术研发人员：程学磊，李琪琪，海然，惠存，刘俊霞，杨飞，李顺群，王亚佐，郑锦辉，
申请(专利权)人：中原工学院，
类型：发明
国别省市：