一种级配碎石三轴试验的数值模拟方法

摘要

本发明公开了一种级配碎石三轴试验的数值模拟方法，通过建立物理模型和力学模型，进行级配碎石三轴试验的模拟，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加载模拟，得到级配碎石应力应变曲线。该方法可准确、便捷地再现三轴试验中级配碎石应力～应变曲线并揭示力学性状变化规律，有利于深入研究级配碎石破坏机理。

主权项

1.一种级配碎石三轴试验的数值模拟方法，其特征在于，按照以下步骤进行：1）物理模型的构建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的竖直墙体和一片长度为D的水平墙体组成开口向上的半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，用公式（1）计算出第i种规格集料的二维映射面积S_i；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；$S_i=\frac{{4\mathrm{dhKP}}_i}{{\rho }_i}{\rho }_{\max }---\left(1\right)$式中：ρ_max：最大干密度，单位：g/cm³；d：试件直径，单位：cm；h：试件高度，单位：cm；K：压实度，单位：%；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；按上述方法依次生成各规格集料颗粒；④模拟试件的生成：利用PFC^2D内置命令“wall”生成长度为D的模拟压板，压板以速度V竖直向下推动模拟试模内的集料颗粒，直至运算步数达到n为止，n按以下式（2）计算；$n=\frac{L}{{\mathrm{Vd}}_t}=\frac{H-h}{{\mathrm{Vd}}_t}---\left(2\right)$式中：n：运算步数，单位：step；L：模拟压板移动距离，单位：cm；V：模拟压板移动速度，单位：cm/s；d_t：时间步长，单位：s/step；H：试模高度，单位：cm；h：试件高度，单位：cm；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ν、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ν、剪切模量G、摩擦系数μ；微力学参数可通过级配碎石室内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，墙体速度计算按式（3）进行；ν＝δ(σ_m-σ_n)            （3）式中：σ_n：目标应力，单位：KPa；σ_m：当前计算时步内的墙体应力，单位：KPa；δ：伺服系数，按式（4）计算：$\delta =\frac{h}{\overline{K_n}\mathrm{N\Delta t}}\times {10}^{-2}---\left(4\right)$式中：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，单位：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：试件高度，单位：cm；②加载过程的模拟：控制围压，以恒定速度竖直向下推动模拟压板，并记录每个计算时步内模拟压板的位移和接触力；③结果整理：绘制轴向应力～轴向应变的关系曲线。