一种级配碎石直剪试验的数值模拟方法

摘要

本发明公开了一种级配碎石直剪试验的数值方法，通过建立物理模型和力学模型，进行级配碎石直剪试验的模拟，包括基本参数的测试，剪切盒的模拟，级配碎石模拟试样的生成；其次，赋予物理模型微力学参数，构建力学模型；然后，对级配碎石模拟试样进行加载模拟，得到级配碎石应力应变曲线，其峰值即为级配碎石抗剪强度。该方法可准确、便捷地再现直剪试验过程中级配碎石应力～应变曲线并预测抗剪切强度，有利于深入研究级配碎石剪切性状和破坏机理。

主权项

1.一种级配碎石直剪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)试样的模拟试样的模拟包括基本参数的测试、剪切盒的模拟、级配碎石的生成以及模拟试样的生成；其中：①基本参数的测试：测定碎石密度，确定矿料级配及其最大干密度和最佳含水量；②剪切盒的模拟：剪切盒由上剪切盒、下剪切盒和挡板组成，上、下模拟剪切盒构成一个封闭的矩形区域以供颗粒生成；(i)上剪切盒的模拟：利用PFC^2D内置命令“wall”生成两片长度为D的竖直墙体和一片长度为L的水平墙体组成开口向下的半封闭矩形以模拟上剪切盒；(ii)下剪切盒的模拟：下剪切盒构造与上剪切盒相同，但开口向上；(iii)挡板的模拟：利用PFC^2D内置命令“wall”在上、下模拟剪切盒相接触的位置左右对称的生成两片一定长度的水平墙体以模拟挡板；③级配碎石的生成：根据试样的碎石密度、压实度、尺寸、矿料级配和最大干密度，以式(1)计算第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；$S_i=\frac{4\mathrm{dhK}{P}_i}{{\rho }_i}{\rho }_{\max }---\left(1\right)$式中：ρ_max：最大干密度，g/cm³；d：试样长度，cm；h：试样高度，cm；K：压实度，％；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模拟试样的生成：同时以墙体移动速度V竖直推动上、下模拟剪切盒的水平墙体以压实集料颗粒，直至运算步数达到n为止，n按下式(2)计算；$n=\frac{D-0.5h}{{\mathrm{Vd}}_t}---\left(2\right)$式中：n：运算步数，step；V：墙体移动速度，cm/s；d_t：时间步长，s/step；D：竖直墙体高度，cm；h：试样高度，cm；2)力学模型的建立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v、剪切模量G定义，滑动模型通过摩擦系数μ定义；②微力学参数的输入：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v、剪切模量G、摩擦系数μ；微力学参数可通过级配碎石室内直剪试验结果反算获取；3)直剪试验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v以保持墙体应力恒定的方法实现围压控制，墙体速度v按式(3)计算；v＝δ(σ_m-σ_n)    (3)式中：σ_n：目标应力，KPa；σ_m：当前计算时步内的墙体应力，KPa；δ：伺服系数，按下式(4)计算：$\delta =\frac{L}{\overline{K_n}\mathrm{N\Delta t}}---\left(4\right)$式中：当前计算时步长内上、下模拟剪切盒的水平墙体的颗粒平均接触强度，KPa；Δt：累积计算时间，s；N：当前计算时步长内与上、下模拟剪切盒的水平墙体接触的颗粒个数；L：上、下模拟剪切盒的水平墙体长度，cm；②直剪试验加载过程的模拟：控制围压，以恒定的速度水平推动上、下模拟剪切盒，并记录每个计算时步内上、下模拟剪切盒的竖直墙体的位移和接触力；③结果整理：绘制剪应力～剪切位移的关系曲线，其峰值即为级配碎石抗剪强度。