CN111024588B - 一种体现渗流对岩土体强度弱化的dem接触模型构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种体现渗流对岩土体强度弱化的DEM接触模型构建方法,即选取致灾构造内的充填体，得到渗流作用下充填体累计流失量随时间的变化规律和充填体力学参数随充填体流失量的变化规律；开展试验模拟，确定各时间段内对应的各组细观力学参数和能够表征充填体宏观力学参数变化规律的DEM接触模型细观参数的关系函数；将各细观参数关系函数嵌入到现有颗粒接触模型中，开展试验模拟，根据模型破坏时宏细观强度的对应关系，更新接触模型的断裂破坏准则，从而实现充填体强度持续弱化过程的模拟；基于室内渗透破坏试验，建立渗透破坏离散元计算模型，采用得到的颗粒接触模型及其破裂准则，模拟岩土体的渗透破坏过程。
Description
技术领域
本发明属于地下工程领域，尤其涉及一种在隧道突涌水过程中描述渗流对岩土体强度持续弱化作用的离散元颗粒接触模型构建方法。
背景技术
强富水、强构造、强岩溶和高地应力所造成的突涌水灾害是我国地形陡峭、峡谷深切、岩溶发育、地质构造极端复杂的西部山区隧道工程建设的主要威胁之一。其中，渗透破坏型突涌水具有流量大、突发性强、破坏性强等特点，灾害一旦发生，将导致重大的人员伤亡、经济损失与工期延误。由于突涌水动态演化过程极其复杂，国内外尚未形成一种行之有效的数值分析模型可实现渗透破坏突涌水灾变过程的准确描述。
目前，岩土工程领域常用的连续介质数值分析方法主要包括有限差分法、有限元法、边界元法，这几种方法都是基于连续介质的各向同性小变形假设，而岩土体是内部存在节理裂隙等大量不连续界面的各向异性体，因此难以用以上方法解决岩土工程的非连续问题。
与连续介质数值分析方法相比，离散元的基本思想就是把整个介质视为一系列离散的颗粒组成，以力-位移定律和牛顿第二运动定律为依据，对问题进行力学分析，在模拟岩土介质材料渗透破坏问题上具有无可比拟的优势。
然而，离散元方法的接触模型仅能体现某一条件下岩土体的基本力学特性，却难以反映灾害发生过程中其力学性能的演变规律。以隧道渗透破坏突涌水灾变演化过程为例，由于渗流对岩土体的侵蚀作用，导致其抗剪强度随着粘性土或细小颗粒的流失而呈现非线性减小的趋势，而现有的离散元颗粒接触模型中粘结强度均设置为固定值，并未考虑由于地下水渗流作用导致的粘结强度的非线性降低过程。因此，应用现有模型并不能真实的模拟渗透破坏演化过程中充填体强度弱化问题。
发明内容
针对现有离散元数值模拟方法难以实现岩土体内部强度弱化的模拟，本发明提出一种可以描述地下水渗流对岩土体强度持续弱化作用的离散元颗粒接触模型构建方法，为充填体渗透破坏演化过程的模拟提供合理、准确的计算模型。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种可以描述地下水渗流对岩土体强度持续弱化作用的离散元颗粒接触模型构建方法，包括以下步骤：
步骤1：选取断层、破碎带、强风化槽等致灾构造内的典型充填体，制备成岩土力学试验标准试样，开展恒定水压作用下的渗透破坏室内试验；得到渗流作用下充填体累计流失量随时间的变化规律；
步骤2：对步骤1中各时间段内流出的充填体进行筛分试验，测得流出的充填体的级配分级，进而得到剩余充填体的各级配比重，然后依据各时间段流失后充填体的级配重新配制试样，并分别进行三轴压缩与剪切力学实验，测得各个时间段内试样的抗剪强度τ、抗压强度σ、弹性模量E、粘聚力c和内摩擦角
等力学参数，进而得到充填体力学参数随充填体流失量的变化规律。
步骤3：根据步骤1、2所测得的充填体流失量的变化规律以及各时间段内充填体宏观力学参数
随充填介质流失量的变化规律，采用DEM软件开展单轴拉伸、三轴压缩与剪切力学试验模拟，基于各时间段内充填体的宏观力学参数，进行宏细观参数标定，最终确定各时间段内对应的各组细观力学参数。
对各个细观参数在每个时间段内的取值分别进行函数拟合，揭示充填体宏观力学参数与离散元接触模型细观参数之间的关系，进而得到能够表征充填体宏观力学参数变化规律的DEM接触模型细观参数的关系函数。
步骤4：通过对DEM软件接触模型的二次开发，将步骤3中建立的各细观参数关系函数嵌入到现有颗粒接触模型中，开展单轴压缩、三轴压缩试验模拟，根据模型破坏时宏细观强度的对应关系，更新接触模型的断裂破坏准则，从而实现充填体强度持续弱化过程的模拟。
步骤5：基于室内渗透破坏试验，建立渗透破坏离散元计算模型，采用步骤4中得到的颗粒接触模型及其破裂准则，模拟岩土体的渗透破坏过程。
进一步的，步骤1中每间隔一定时间Δti，对试验过程中所流出的充填体进行收集、烘干、称重，分别称量每个时间段内所流出的充填体的质量。随着时间的累积，将试验过程中流出的充填体质量进行加和，获得流出的充填体的总质量，进而得到渗流作用下充填体累计流失量随时间的变化规律。
进一步地，将模拟结果与渗透破坏室内试验结果进行对比，通过宏细观破坏模式和力学参数对比来判断所建模型的准确性；
进一步地，若模拟结果与室内试验结果吻合度较差，则转入步骤3，重新表征充填体宏观力学参数变化规律的DEM接触模型细观参数的关系函数；
进一步地，若模拟结果与室内试验结果吻合度较好，可通过微调细观参数，使模拟结果能够与室内试验结果更好的吻合，从而证明该接触模型模拟强度弱化问题的可行性与准确性。
本发明的有益效果在于：
基于现有离散元接触模型，本发明提出了一种颗粒之间接触粘结强度随时间非线性变化的新型接触模型，该模型考虑了渗流作用对颗粒之间粘结强度的持续弱化作用，可更真实的模拟隧道充填体渗透破坏突涌水的灾变演化过程。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1颗粒接触模型构建流程图；
图2充填颗粒流失量随时间变化曲线；
图3充填体流失前、流失后的颗粒级配对比图；
图4充填体抗剪强度随颗粒流失量变化曲线；
图5法向粘结强度随时间变化规律。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
正如背景技术部分描述的，现有技术中岩土工程领域常用的连续介质数值分析方法主要包括有限差分法、有限元法、边界元法，这几种方法都是基于连续介质的各向同性小变形假设，而岩土体是内部存在节理裂隙等大量不连续界面的各向异性体，因此难以用以上方法解决岩土工程的非连续问题。
与连续介质数值分析方法相比，离散元的基本思想就是把整个介质视为一系列离散的颗粒组成，以力-位移定律和牛顿第二运动定律为依据，对问题进行力学分析，在模拟岩土介质材料渗透破坏问题上具有无可比拟的优势。
然而，离散元方法的接触模型仅能体现某一条件下岩土体的基本力学特性，却难以反映灾害发生过程中其力学性能的演变规律。以隧道渗透破坏突涌水灾变演化过程为例，由于渗流对岩土体的侵蚀作用，导致其抗剪强度随着粘性土或细小颗粒的流失而呈现非线性减小的趋势，而现有的离散元颗粒接触模型中粘结强度均设置为固定值，并未考虑由于地下水渗流作用导致的粘结强度的非线性降低过程。因此，应用现有模型并不能真实的模拟渗透破坏演化过程中充填体强度弱化问题。针对现有离散元数值模拟方法难以实现岩土体内部强度弱化的模拟，本发明提出一种可以描述地下水渗流对岩土体强度持续弱化作用的离散元颗粒接触模型构建方法，为充填体渗透破坏演化过程的模拟提供合理、准确的计算模型。
本发明的颗粒接触模型构建流程如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤1：选取致灾构造内的典型充填体，制备成岩土力学试验标准试样，开展恒定水压作用下的渗透破坏室内试验，得到渗流作用下充填体累计流失量随时间的变化规律；
步骤2：依据步骤1中各时间段流失后充填体的级配重新配制试样，并分别进行三轴压缩与剪切力学实验，测得各个时间段内试样的力学参数，进而得到充填体力学参数随充填体流失量的变化规律；
步骤3：根据步骤1、2所测得的变化规律，采用DEM软件开展单轴拉伸、三轴压缩与剪切力学试验模拟，最终确定各时间段内对应的各组细观力学参数；得到能够表征充填体宏观力学参数变化规律的DEM接触模型细观参数的关系函数；
步骤4：通过对DEM软件接触模型的二次开发，将步骤3中建立的各细观参数关系函数嵌入到现有颗粒接触模型中，开展单轴压缩、三轴压缩试验模拟，根据模型破坏时宏细观强度的对应关系，更新接触模型的断裂破坏准则，从而实现充填体强度持续弱化过程的模拟；
步骤5：基于室内渗透破坏试验，建立渗透破坏离散元计算模型，采用步骤4中得到的颗粒接触模型及其破裂准则，模拟岩土体的渗透破坏过程。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
首先，选取断层、破碎带、强风化槽等致灾构造内的典型充填体，通过筛分称重确定充填体的颗粒级配曲线，并制备成岩土力学试验标准试样，利用渗透试验装置开展恒定水压作用下的渗透破坏室内试验。每间隔一定时间Δti，对试验中所流出的充填体进行收集、烘干，并分别称量每个时间段内所流出的充填体的质量，依次为Δm1、Δm2、…、Δmn。随着时间的累积，将试验流出的充填体质量进行加和，以获得流出的充填体的总质量，得到渗流作用下充填体流失量随时间的变化规律(如图2)。其中渗透过程中充填体涌出总质量M见下式：
M＝Δm1+Δm2+…+Δmx (1)
将上述试验过程中各个时间间隔内流出的充填体烘干后进行筛分试验，测得流出的充填体的级配分级，进而得到各时间段剩余充填体的各级配比重，如图3所示。然后依据各个时间段充填体流失后的级配重新配制试样，并通过三轴压缩与剪切力学试验，分别测得各个时间段试样的抗剪强度τi、抗压强度σi、弹性模量Ei、粘聚力ci和内摩擦角
等力学参数(i＝1，2，3…)，进而得到充填体各力学参数随充填体流失量的变化规律(图4)。
根据上述步骤所测得的充填体流失量的变化规律以及各时间段内充填体宏观力学参数
随充填介质流失量的表征关系，采用DEM软件开展直接拉伸试验、三轴压缩与剪切力学试验模拟，基于渗透破坏过程中各时间段岩土体的宏观力学参数，通过不断调试数值模拟中的细观参数，进行宏细观参数的标定，主要标定法向与切向刚度比(kratio)、有效模量(pb_deform)、法向粘结强度(pb_ten)、切向粘结强度(pb_coh)和平行粘结摩擦角(pb_fa)五个细观参数，最终保证模型的破坏模式及宏观力学参数与室内试验基本一致，具体实施步骤如下：
(1)利用直接拉伸试验模拟来标定直接拉伸时的弹性模量；
(2)将(1)中得到的弹性模量作为平行粘结模型有效模量(pb_deform)，通过进行不同刚度比下的三轴压缩试验模拟，监测压缩过程中试样的横向应变εx与纵向应变εy，进而求解不同刚度比下模型的泊松比v，泊松比计算公式如下：
当某一刚度比下试样的泊松比与室内试验结果相同时，该刚度比(kratio)即为模拟所需；
(3)固定有效模量与刚度比，通过调整法向粘结强度(pb_ten)与切向粘结强度(pb_coh)的比值，来观察三轴压缩条件下试样的破坏形式及模型破环时的峰值应力，保证其破坏模式与峰值应力与试验相同，最终确定法向与切向粘结强度(pb_ten、pb_coh)；
(4)基于以上参数，进行三轴剪切试验模拟，通过调整平行粘结摩擦角(pb_fa)，保证模拟的抗剪强度-应力(τ-σ)曲线与室内试验结果的一致性，最终确定平行粘结摩擦角参数的取值。
基于以上标定过程，根据各时间段宏观力学参数确定相对应的一组细观参数kratioi、pb_deformi、pb_teni、pb_cohi、pb_fai(i＝1，2，3…)。如图5所示，通过对某一细观参数(pb_ten1、pb_ten2、pb_ten3、…)在各个时间段的取值进行拟合，得到该参数随时间的非线性变化函数，进而揭示充填体宏观力学参数与离散元接触模型细观参数之间的关系，最终得到能够表征充填体宏观力学参数变化规律的DEM接触模型各细观参数的关系函数。
接下来，通过DEM软件接触模型的二次开发，将上述步骤中建立的各细观参数的关系函数嵌入到现有颗粒接触模型中，通过建立单轴压缩、三轴压缩试验模型开展基础力学试验模拟，根据破坏时宏细观强度的对应关系，更新接触模型的断裂破坏准则，从而实现充填体强度持续弱化过程的模拟。
颗粒接触模型中键的断裂破坏准则为：
式中
分别为某一充填体流失量条件下的颗粒间所受拉力、拉应力与粘聚力；
分别为许用正应力、许用切应力与内摩擦角；A为颗粒间接触面积。
为进一步提高该接触模型的正确性与适用性，采用上述步骤中得到的颗粒接触模型，建立与充填渗透室内试验相同的数值模型来开展充填渗透破坏数值模拟，进而验证该DEM模型中颗粒间相互作用与岩土体的宏观力学特性之间的一致性。
具体实施步骤如下：
(1)利用DEM软件建立与充填渗透室内试验相同的数值模型，颗粒间接触细观参数采用基于渗透破坏前充填体的宏观参数所标定出的细观参数，颗粒之间的接触模型则采用上述步骤中嵌入各细观参数关系函数的新的接触模型；
(2)开展恒定水压作用下的渗透破坏室内试验模拟，通过监测数值模拟过程中的渗流场、应力场、位移场变化，监测颗粒间粘结强度随时间步的变化规律，同时观察充填渗透破坏模式和渗透演化过程，并与试验结果进行对比，验证该模型模拟渗流对充填体岩土体强度弱化的正确性。
以上对本发明一种体现渗流对充填体岩土体强度弱化作用的DEM颗粒接触模型构建方法进行了详细介绍，本发明依据试验结果详细阐述了该接触模型的构建过程及细观参数的标定方法，并通过模拟验证该模型模拟渗流对充填体强度弱化的正确性。以上说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种体现渗流对岩土体强度弱化的DEM接触模型构建方法,其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：选取致灾构造内的典型充填体，制备成岩土力学试验标准试样，开展恒定水压作用下的渗透破坏室内试验，得到渗流作用下充填体累计流失量随时间的变化规律；
步骤2：依据步骤1中各时间段流失后充填体的级配重新配制试样，并分别进行三轴压缩与剪切力学实验，测得各个时间段内试样的力学参数，进而得到充填体力学参数随充填体流失量的变化规律；
步骤3：根据步骤1、2所测得的变化规律，采用DEM软件开展单轴拉伸、三轴压缩与剪切力学试验模拟，最终确定各时间段内对应的各组细观力学参数；得到能够表征充填体宏观力学参数变化规律的DEM接触模型细观参数的关系函数；
步骤4：通过对DEM软件接触模型的二次开发，将步骤3中建立的各细观参数关系函数嵌入到现有颗粒接触模型中，开展单轴压缩、三轴压缩试验模拟，根据模型破坏时宏细观强度的对应关系，更新接触模型的断裂破坏准则，从而实现充填体强度持续弱化过程的模拟；
步骤5：基于室内渗透破坏试验，建立渗透破坏离散元计算模型，采用步骤4中得到的颗粒接触模型及其破裂准则，模拟岩土体的渗透破坏过程。
2.如权利要求1所述的体现渗流对岩土体强度弱化的DEM接触模型构建方法,其特征在于，步骤1中每间隔时间Δti，对试验过程中所流出的充填体进行收集、烘干、称重，分别称量每个时间段内所流出的充填体的质量，然后将试验过程中流出的充填体质量进行加和，获得流出的充填体的总质量。
3.如权利要求1所述的体现渗流对岩土体强度弱化的DEM接触模型构建方法,其特征在于，步骤2中：对步骤1中各时间段内流出的充填体进行筛分试验，测得流出的充填体的级配分级，进而得到剩余充填体的各级配比重。
4.如权利要求1所述的体现渗流对岩土体强度弱化的DEM接触模型构建方法,其特征在于，步骤2中的力学参数为抗剪强度τ、抗压强度σ、弹性模量E、粘聚力c和内摩擦角
5.如权利要求1所述的体现渗流对岩土体强度弱化的DEM接触模型构建方法,其特征在于，步骤3中基于各时间段内充填体的宏观力学参数，进行宏细观参数标定，最终确定各时间段内对应的各组细观力学参数。
6.如权利要求1所述的体现渗流对岩土体强度弱化的DEM接触模型构建方法,其特征在于，步骤3中对各个细观力学参数在每个时间段内的取值分别进行函数拟合，揭示充填体宏观力学参数与离散元接触模型细观参数之间的关系，进而得到能够表征充填体宏观力学参数变化规律的DEM接触模型细观参数的关系函数。
7.如权利要求1所述的体现渗流对岩土体强度弱化的DEM接触模型构建方法,其特征在于，将模拟结果与渗透破坏室内试验结果进行对比，通过宏细观破坏模式和力学参数对比来判断所建模型的准确性。
8.如权利要求7所述的体现渗流对岩土体强度弱化的DEM接触模型构建方法,其特征在于，若模拟结果与室内试验结果吻合度较差，则转入步骤3，重新表征充填体宏观力学参数变化规律的DEM接触模型细观参数的关系函数；若模拟结果与室内试验结果吻合度较好，可通过微调细观参数，使模拟结果能够与室内试验结果更好的吻合，从而证明该接触模型模拟强度弱化问题的可行性与准确性。
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