一种级配碎石细观力学模型构建及微力学参数标定的方法

摘要

本发明公开了一种级配碎石细观力学模型构建及微力学参数标定的方法，通过级配碎石基本参数的测试、试模的模拟及模拟试件的生成，并赋予模拟试件微力学参数，构建级配碎石细观力学模型，对细观力学模型试件实施数值试验，模拟得到级配碎石应力应变曲线；根据模拟误差精度要求，通过分析级配碎石应力应变的实测结果和模拟结构对比，对级配碎石细观力学模型的微力学参数进行标定。该方法可准确、快速地构建级配碎石细观力学模型并标定微力学参数，为深入研究级配碎石力学行为及破坏机制提供有效的工具。

主权项

1.一种级配碎石细观力学模型构建及微力学参数标定的方法，其特征在于，按照以下步骤进行：1）细观力学模型的构建（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）试模的模拟根据力学性能测试方法对试模规格的要求，利用PFC^2D内置命令“wall”生成封闭矩形区域以模拟试模；（3）级配碎石的生成根据碎石密度、压实度、试件尺寸、矿料级配和最大干密度按式（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；（1）式中：ρ_max：级配碎石的最大干密度，g/cm³；A：模拟试件的面积，cm²；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）模拟试件的生成令模拟试模的一侧或双侧水平墙体以规定速度竖直推动模拟试模内的级配碎石，直至符合力学性能测试方法对试件规格的要求为止；（5）细观力学模型的生成采用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，利用PFC^2D内置命令“prop”赋予模拟试件以微力学参数；（6）数值试验的实施模拟试验条件和加载方式对模拟试件进行加载，得到应力应变曲线；2）微力学参数的标定（1）确定误差规定值W；（2）通过室内试验获取级配碎石力学性能实测结果，分别计算应力应变曲线峰值处所对应的应力值σ_fs和应力应变曲线第一拐点处对应的应变值ε_gs；（3）第i次数值试验时，赋予模拟试件的微力学参数取值ν、G_i、μ_i，其中：G_i：第i次数值试验时剪切模量G的取值，i大于0的自然数；μ_i：第i次数值试验时摩擦系数μ的取值，i大于0的自然数；在下列数值试验中，微力学参数的初始值i＝1时如下：①CBR数值试验：0.15≤ν≤0.35，1GPa≤G₁≤20GPa，0.3≤μ₁≤0.7；②三轴数值试验：0.15≤ν≤0.35，100GPa≤G₁≤1000GPa，0.5≤μ₁≤0.9；③直剪数值试验：0.15≤ν≤0.35，10GPa≤G₁≤100GPa，0.5≤μ₁≤0.7；（4）获取第i次数值试验的σ_fm（i）和ε_gm（i），其中：ε_gm（i）：第i次数值试验获取级配碎石应力应变曲线第一拐点处对应的应变值，i为大于0的自然数；σ_fm（i）：第i次数值试验获取级配碎石应力应变曲线峰值处所对应的应力值，i为大于0的自然数；（5）比较实测结果与第i次数值试验的模拟结果，并计算ε_gm（i）与ε_gs的误差W_ε（i）和σ_fm（i）与σ_fs的误差W_σ（i）：①当W_ε（i）≥W且W_σ（i）≥W时，若ε_gs>ε_gm（i），则μ_i+1=μ_i-T_μ；若ε_gs<ε_gm（i），则μ_i+1=μ_i+T_μ；若σ_fs>σ_fm（i），则G_i+1=（1+T_G×i）×G₁；若σ_fs<σ_fm（i），则G_i+1=（1-T_G×i）×G₁；其中，T_μ：参数标定时μ的调整系数，T_μ＝0.01～0.1；T_G：参数标定时G的调整系数，T_G＝0.01～0.2；根据步骤（4）~（5）方法重新计算；②当W_ε（i） ≥W且W_σ（i）<W时，G_i+1=G_i；若ε_gs>ε_gm（i），则μ_i+1=μ_i-T_μ；若ε_gs<ε_gm（i），则μ_i+1=μ_i+T_μ； 根据步骤（4）~（5）方法重新计算；③当W_ε（i）<W且W_σ（i） ≥W时，μ_i+1=μ_i；若σ_fs>σ_fm（i），则G_i+1=（1+T_G×i）×G₁；若σ_fs<σ_fm（i），则G_i+1=（1-T_G×i）×G₁；根据步骤（4）~（5）方法重新计算；④当W_ε（i）<W且W_σ（i）<W时，停止计算，微力学参数标定结果为ν、G_i、μ_i。