CN110750871A - 一种基于离散元的摩擦型颗粒材料蠕变试验模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于离散元的摩擦型颗粒材料蠕变试验模拟方法，包括以下步骤：生成离散元试样；设定接触模型及模型参数；试样固结；偏应力施加；试样蠕变。本发明方法简便高效，以速率过程理论为基础，将颗粒间摩擦系数与滑动速率之间的相依关系引入进颗粒接触模型中，实现了摩擦型颗粒材料的蠕变行为表征，为进一步研究摩擦型颗粒材料的时效变形特征提供了有效技术手段。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程数值计算方法，具体涉及一种基于离散元的摩擦型颗粒材料蠕变试验模拟方法，属于岩土工程数值计算领域。
背景技术
在岩土工程领域中，工程长期沉降将直接影响工程长期服役性能，为充分认识岩土工程建设材料的长期沉降变形特征，常通过室内蠕变试验的手段获得岩土工程材料时效变形特征，而室内蠕变试验耗时过长，资源消耗较大。此外，由于岩土工程材料自身的离散特性、试验误差以及试验条件扰动等因素的共同作用，常使得室内试验结果难以复现，不便于实际工程应用。
随着数值试验技术的快速发展，逐步开始采用数值试验的方式来测定颗粒材料蠕变变形特征。由于离散单元法在表征颗粒材料力学行为上具有显著的优势，因此被广泛应用于颗粒材料数值试验之中。为充分反应不同类型颗粒材料力学特征，常需要采用不同颗粒接触模型进行数值试验。目前常用接触模型有线性接触模型、抗转动模型、平行胶结模型以及博格斯模型等，所提出的多种类别接触模型虽然可较好地反应不同类型颗粒材料的宏观力学特征，但仅较少的接触模型中引入了时间因子。基于流变原件模型建立起来的博格斯颗粒接触模型虽然考虑了颗粒间接触作用的时间效应，但其模型参数过多，难以获取，此外，博格斯颗粒接触模型难以较好地反映摩擦型颗粒材料的时效变形特征，而岩土工程领域中所面向的工程材料多为摩擦型颗粒材料，如砂土颗粒、道砟颗粒以及岩体碎块等。因此，有必要提出一种摩擦型颗粒材料蠕变试验模拟方法。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于离散元的摩擦型颗粒材料蠕变试验模拟方法，基于速率过程理论得到颗粒间摩擦系数于滑动速率之间的相依关系，并将该理论应用于离散元数值蠕变试验中用以模拟无粘性颗粒材料蠕变特性。
为了达到上述目的，本发明的具体技术方案如下：
一种基于离散元的摩擦型颗粒材料蠕变试验模拟方法，包括以下步骤：
a.生成离散元试样：依据实际试样尺寸生成一个圆柱形刚性墙体，并于圆柱形刚性墙体顶部和底部分别构建平面刚性墙体，得到一个圆柱形封闭区域，并在封闭区域内按指定孔隙比生成一系列球形颗粒；
b.设定接触模型及模型参数：将球形颗粒间以及颗粒与墙体间接触模型均设定为线性接触模型，并设定接触模型参数以及物理参数；
c.试样固结：将圆柱形墙体及顶部和底部两平面刚性墙体朝向试样中心移动压缩试样，直至达到指定围压值；
d.偏应力施加：维持试样围压值不变，并以一定速率将顶部和底部刚性墙体朝向试样中心移动剪切试样，直至试样偏应力达到指定值；
e.试样蠕变：当达到指定的偏应力值后，维持试样围压值以及偏应力值不变进行试样蠕变，在蠕变过程中，试样内部颗粒间摩擦系数随颗粒滑动速率变化而变化。
进一步地，步骤b中，线性接触模型参数具体包括颗粒间法向接触刚度、颗粒间切向接触刚度、颗粒间摩擦系数、墙体与颗粒间法向接触刚度、墙体与颗粒间切向接触刚度以及墙体与颗粒间摩擦系数，物理参数具体包括颗粒密度、重力加速度以及阻尼系数。
进一步地，步骤c中，颗粒与墙体间摩擦系数应重新设定为零。
进一步地，步骤d中，蠕变试验过程中所设定的偏应力值应小于试样的峰值强度值。
进一步地，步骤e中，颗粒间摩擦系数随滑动速率变化规律根据速率过程理论获得，其具体演化方程如下公式：
式中表示颗粒滑动速度，表示颗粒间摩擦系数。
与现有技术相比较，本发明具有以下有益技术效果：
本发明提供了一种基于离散元的摩擦型颗粒材料蠕变试验模拟方法，将速率过程理论引进基于离散单元法的数值试验中，以线性接触模型为基础，通过调整线性接触模型中颗粒间摩擦系数演化规律，从微观角度出发构建了可考虑颗粒接触蠕变特征的速率过程接触模型。速率过程接触模型特征在于，在试样蠕变过程中，将颗粒间摩擦系数设定为一随颗粒间滑动速率变化而变化的非固定值，该模拟方法具有严密的理论基础，简单高效，可有效地表征无粘结颗粒材料的宏观蠕变特性。
附图说明
图1为一种基于离散元的摩擦型颗粒材料蠕变试验模拟方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的数值试样图；
图3为本发明实施例提供的蠕变过程颗粒间摩擦系数分布图；
图4为本发明实施例提供的轴向应变蠕变变形曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明的具体实施方式进行说明。
一种基于离散元的颗粒材料蠕变试验模拟方法的具体流程如图1所示，包括以下步骤：
a.生成离散元试样：建立一底部直径为10 cm高度为20 cm圆柱形颗粒生成区域，采用半径为1 mm球形颗粒填充颗粒生成区域，孔隙比为0.6，试样整体颗粒数目为2819，最终得到离散元数值试样如图2所示。
b.设定接触模型及模型参数：将球形颗粒间以及颗粒与墙体间接触模型均设定为线性接触模型，并设定接触模型参数以及物理参数；
在本发明中，颗粒间法向接触刚度为1×106 N/m，颗粒间切向接触刚度为1×106 N/m，颗粒间摩擦系数0.5，墙体与颗粒间法向接触刚度1×107 N/m，墙体与颗粒间切向接触刚度为1×107 N/m，墙体与颗粒间摩擦系数为0.1，颗粒密度为2650 kg/m3，重力加速度为-9.8m/s2，阻尼系数为0.1。
c.试样固结：指定围压值设定为100 kPa，进一步将圆柱形墙体及顶部和底部两平面刚性墙体朝向试样中心移动压缩试样，直至达到指定围压值。
d.偏应力施加：指定偏应力值设定为20 kPa，维持试样围压值不变，并以0.5 mm/min加载速率将顶部和底部刚性墙体朝向试样中心移动剪切试样，直至试样偏应力值达到20 kPa。
在本发明中，通过三轴数值试验测定数值试样峰值强度为25 kPa，所设定的蠕变偏应力值为峰值强度的80%。
e.试样蠕变：当试样偏应力值达到20 kPa后，维持试样围压值为100 kPa以及偏应力值为20 kPa不变进行蠕变数值试验，在蠕变过程中，使试样内部颗粒间摩擦系数随颗粒滑动速率变化而变化，颗粒间摩擦系数随滑动速率变化规律根据速率过程理论获得，其具体演化方程如下公式：
式中
表示颗粒滑动速度，
表示颗粒间摩擦系数。
蠕变过程中，试样内部颗粒间摩擦系数如图3所示，从图中可知，在蠕变过程中，试样内部颗粒间摩擦系数并非一固定值，其值随颗粒间滑动速率的不同而不同。此外，最终得到试样轴向应变蠕变变形特征曲线如图4所示，可知本发明所提供的蠕变试验模拟方法可较好地描述无粘结颗粒材料蠕变全过程。
Claims (5)
1.一种基于离散元的摩擦型颗粒材料蠕变试验模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.生成离散元试样：依据实际试样尺寸生成一个圆柱形刚性墙体，并于圆柱形刚性墙体顶部和底部分别构建平面刚性墙体，得到一个圆柱形封闭区域，并在封闭区域内按指定孔隙比生成一系列球形颗粒；
b.设定接触模型及模型参数：将球形颗粒间以及颗粒与墙体间接触模型均设定为线性接触模型，并设定接触模型参数以及物理参数；
c.试样固结：将圆柱形墙体及顶部和底部两平面刚性墙体朝向试样中心移动压缩试样，直至达到指定围压值；
d.偏应力施加：维持试样围压值不变，并以一定速率将顶部和底部刚性墙体朝向试样中心移动剪切试样，直至试样偏应力达到指定值；
e.试样蠕变：当达到指定的偏应力值后，维持试样围压值以及偏应力值不变进行试样蠕变，在蠕变过程中，试样内部颗粒间摩擦系数随颗粒滑动速率变化而变化。
2.根据权利要求1所述的一种基于离散元的摩擦型颗粒材料蠕变试验模拟方法，其特征在于，步骤b中，线性接触模型参数具体包括颗粒间法向接触刚度、颗粒间切向接触刚度、颗粒间摩擦系数、墙体与颗粒间法向接触刚度、墙体与颗粒间切向接触刚度以及墙体与颗粒间摩擦系数，物理参数具体包括颗粒密度、重力加速度以及阻尼系数。
3.根据权利要求1所述的一种基于离散元的摩擦型颗粒材料蠕变试验模拟方法，其特征在于，步骤c中，颗粒与墙体间摩擦系数应重新设定为零。
4.根据权利要求1所述的一种基于离散元的摩擦型颗粒材料蠕变试验模拟方法，其特征在于，步骤d中，蠕变试验过程中所设定的偏应力值应小于试样的峰值强度值。
5.根据权利要求1所述的一种基于离散元的摩擦型颗粒材料蠕变试验模拟方法，其特征在于，步骤e中，颗粒间摩擦系数随滑动速率变化规律根据速率过程理论获得，其具体演化方程如下公式：
式中表示颗粒滑动速度，表示颗粒间摩擦系数。
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