CN113237722B - 一种土体内部侵蚀变形响应模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种土体内部侵蚀变形响应模拟方法，包括以下步骤：S1：采集土体试样，构建数值模拟试样模型，并按土体实际应力状态对数值模拟试样模型进行加压固结；S2：计算数值模拟试样模型中各个细颗粒的应力折减系数；S3：生成数值模拟试样模型中细颗粒的应力折减系数统计分布图；S4：计算土体试样中细颗粒冲蚀的应力折减系数临界值，确定细颗粒侵蚀总量；S5：确定侵蚀变形试样模型；S6：确定侵蚀变形试样模型的强度特征和变形特征；S7：将细颗粒侵蚀总量、强度特征和变形特征作为土体内部侵蚀变形响应模拟的结果。本发明基于颗粒应力状态及待施加的水力梯度判定可冲蚀颗粒，符合实际冲蚀情况。

Description

一种土体内部侵蚀变形响应模拟方法
技术领域
本发明属于土体侵蚀响应模拟技术领域，具体涉及一种土体内部侵蚀变形响应模拟方法。
背景技术
渗透破坏作为土石坝和堰塞体等的主要失稳形式之一，常发生于不良级配无粘性土中。在渗透破坏作用下不良级配无粘性土中的细颗粒易被水流冲蚀，进而影响土体的物理力学性质，甚至导致土体结构破坏。快速确定不良级配无粘性土材料在不同渗流场作用下的冲蚀特性，并对其蚀后响应进行有效的模拟与分析，对坝基、堰塞体等的渗流安全评估与应急处置均着重要的意义。
合理确定不同渗流作用下的冲蚀颗粒并构建细颗粒冲蚀后的土样是正确模拟渗透破坏蚀后响应的前提。目前国内外主要有两种离散元模拟方法，一种是流固耦合法，一种是细粒随机剔除法。流固耦合法是基于流体动力学和离散元(CFD-DEM)相耦合的数值模拟方法，先模拟完整的渗流作用下颗粒冲蚀过程，确定相应渗流作用下的冲蚀颗粒，再在此基础上开展蚀后响应模拟。该方法需要模拟整个渗透破坏过程，涉及连续的CFD-DEM交互计算及数据传递，存在计算量大、计算速度较慢的局限性。在渗流安全评估过程中，该方法囿于其计算效率较低，难以满足应急条件下的评估处置需求。细粒随机剔除法是先确定细颗粒的冲蚀量，然后在试样中随机剔除相应含量的细颗粒，以达到模拟冲蚀后试样的目的。该研究方法虽然不用流体模拟，计算速度快，但主要存在如下不足：一是没有考虑具体细颗粒的可冲蚀性，即冲蚀颗粒没有考虑其实际受力、接触状态、渗透力大小等，与实际情况差距较大；二是颗粒冲蚀量是通过人为指定，并删去相应含量的细颗粒，无法反映土样在实际渗流场中的真实冲蚀情况。
因此，在建立不良级配无粘性土模型的基础上，结合渗透破坏过程中颗粒冲蚀的机理，确定土体中不同细颗粒的可冲蚀性，根据实际渗流环境条件精确删去易冲蚀颗粒，形成渗透破坏蚀后试样并进行蚀后响应的模拟分析，可以准确模拟渗透破坏蚀后试样，并快速进行蚀后响应的模拟分析。
发明内容
本发明的目的是为了解决土体渗透破坏蚀后模拟的问题，提出了一种土体内部侵蚀变形响应模拟方法。
本发明的技术方案是：一种土体内部侵蚀变形响应模拟方法包括以下步骤：
S1：采集土体试样，构建数值模拟试样模型，并按土体实际应力状态对数值模拟试样模型进行加压固结；
S2：在数值模拟试样模型中，利用Voronoi剖分方法计算加压固结后的数值模拟试样模型中各个细颗粒的应力折减系数；
S3：根据各个细颗粒的应力折减系数，生成数值模拟试样模型中细颗粒的应力折减系数统计分布图；
S4：计算土体试样中细颗粒冲蚀的应力折减系数临界值，并根据细颗粒的应力折减系数统计分布图，确定细颗粒侵蚀总量；
S5：根据数值模拟试样模型中各个细颗粒的应力折减系数和细颗粒冲蚀的应力折减系数临界值，确定侵蚀变形试样模型；
S6：利用离散元三轴固结剪切模拟方法确定侵蚀变形试样模型的强度特征和变形特征；
S7：将细颗粒侵蚀总量、强度特征和变形特征作为土体内部侵蚀变形响应模拟的结果。
进一步地，步骤S1中，构建数值模拟试样模型的具体方法为：根据土体试样的颗粒级配和土粒比重，利用离散元数值模拟软件构建数值模拟试样模型。
进一步地，步骤S2包括以下子步骤：
S21：在数值模拟试样模型中，确定加压固结后的数值模拟试样模型中各个细颗粒j的Voronoi晶格；
S22：将各个细颗粒j的体积和其对应的孔隙体积作为各个细颗粒j的Voronoi晶格体积Vj；
S23：根据各个细颗粒j的Voronoi晶格体积Vj，利用Voronoi剖分方法计算各个细颗粒j的应力折减系数αj DEM。
进一步地，步骤S21中，将所有接触细颗粒j的剖分面作为该细颗粒j的Voronoi晶格。
进一步地，步骤S23中，各个细颗粒j的应力折减系数αj DEM的计算公式为：
Figure BDA0003085305430000031
其中，p'表示土体试样所受平均有效应力，p'j表示细颗粒所受平均有效应力，Vj表示细颗粒的Voronoi晶格体积，pj p表示细颗粒所受平均法向压力，V表示土体试样总体积，Np表示细颗粒数量，pp表示单个细颗粒所受平均法向压力，Vj p表示细颗粒的体积，Vp表示单个细颗粒的体积。
进一步地，步骤S4中，土体试样中细颗粒冲蚀的应力折减系数临界值αcr的计算公式为：
Figure BDA0003085305430000041
其中，i表示渗流环境中流场的水力梯度，γw表示水的容重，Δz表示土体试样高度，σt表示土体试样的顶部荷载，γ'表示土体试样材料的浮容重。
进一步地，步骤S5中，若αj DEM>αcr，将该细颗粒作为稳定颗粒，否则将该颗粒作为易侵蚀颗粒；删除土体试样中的易侵蚀颗粒形成侵蚀变形试样模型。
本发明的有益效果是：
(1)准确性高：本发明基于颗粒应力状态及待施加的水力梯度判定可冲蚀颗粒，符合实际冲蚀情况。
(2)适用条件范围广：对于任意水力梯度的渗流场，本发明均可以计算与其水力梯度相对应的应力折减系数界限值，并基于细颗粒应力折减系数的统计分布曲线判断可冲蚀细颗粒的应力条件以及冲蚀量。
(3)模拟效率高：通过细颗粒应力折减系数的计算直接判定其可冲蚀性，避免了传统数值模拟方法中需要模拟完整的渗流冲蚀过程，在保证模拟精度的前提下，极大加快了模拟速度。
附图说明
图1为土体内部侵蚀变形响应模拟方法的流程图；
图2为本发明实施例中数值模拟试样模型的示意图；
图3为本发明实施例中50kPa围压作用下试样中细颗粒应力折减系数的分布图；
图4为本发明实施例中侵蚀前后试样的应力-应变关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
在描述本发明的具体实施例之前，为使本发明的方案更加清楚完整，首先对本发明中出现的缩略语和关键术语定义进行说明：
Voronoi晶格：由模型中各个颗粒相接触点连线的中垂线组成的连续多边形组成。
如图1所示，本发明提供了一种土体内部侵蚀变形响应模拟方法，包括以下步骤：
S1：采集土体试样，构建数值模拟试样模型，并按土体实际应力状态对数值模拟试样模型进行加压固结；
S2：在数值模拟试样模型中，利用Voronoi剖分方法计算加压固结后的数值模拟试样模型中各个细颗粒的应力折减系数；
S3：根据各个细颗粒的应力折减系数，生成数值模拟试样模型中细颗粒的应力折减系数统计分布图；
S4：计算土体试样中细颗粒冲蚀的应力折减系数临界值，并根据细颗粒的应力折减系数统计分布图，确定细颗粒侵蚀总量；
S5：根据数值模拟试样模型中各个细颗粒的应力折减系数和细颗粒冲蚀的应力折减系数临界值，确定侵蚀变形试样模型；
S6：利用离散元三轴固结剪切模拟方法确定侵蚀变形试样模型的强度特征和变形特征；
S7：将细颗粒侵蚀总量、强度特征和变形特征作为土体内部侵蚀变形响应模拟的结果。
在本发明实施例中，步骤S1中，构建数值模拟试样模型的具体方法为：根据土体试样的颗粒级配和土粒比重，利用离散元数值模拟软件构建数值模拟试样模型。
在本发明实施例中，数值模拟试样模型如图2所示，根据其所处的应力状态为50kPa各向同性压力，对试样进行加压固结。
在本发明实施例中，步骤S2包括以下子步骤：
S21：在数值模拟试样模型中，确定加压固结后的数值模拟试样模型中各个细颗粒j的Voronoi晶格；
S22：将各个细颗粒j的体积和其对应的孔隙体积作为各个细颗粒j的Voronoi晶格体积Vj；
S23：根据各个细颗粒j的Voronoi晶格体积Vj，利用Voronoi剖分方法计算各个细颗粒j的应力折减系数αj DEM。
在本发明实施例中，步骤S21中，将所有接触细颗粒j的剖分面作为该细颗粒j的Voronoi晶格。
在本发明实施例中，步骤S23中，各个细颗粒j的应力折减系数αj DEM的计算公式为：
Figure BDA0003085305430000061
其中，p'表示土体试样所受平均有效应力，p'j表示细颗粒所受平均有效应力，Vj表示细颗粒的Voronoi晶格体积，pj p表示细颗粒所受平均法向压力，V表示土体试样总体积，Np表示细颗粒数量，pp表示单个细颗粒所受平均法向压力，Vj p表示细颗粒的体积，Vp表示单个细颗粒的体积。
在本发明实施例中，如图3所示，为生成试样中细颗粒的应力折减系数统计分布图。
在本发明实施例中，步骤S4中，土体试样中细颗粒冲蚀的应力折减系数临界值αcr的计算公式为：
Figure BDA0003085305430000071
其中，i表示渗流环境中流场的水力梯度，γw表示水的容重，Δz表示土体试样高度，σt表示土体试样的顶部荷载，γ'表示土体试样材料的浮容重。
在本发明实施例中，步骤S5中，若αj DEM>αcr，将该细颗粒作为稳定颗粒，否则将该颗粒作为易侵蚀颗粒；删除土体试样中的易侵蚀颗粒形成侵蚀变形试样模型。
在本发明实施例中，根据所研究试样所处渗流场的实际水力梯度(本实施例中水力梯度为3.4，如图3所示)，通过应力折减系数与水力梯度的关系式，计算细颗粒冲蚀的应力折减系数临界值，并根据细颗粒的应力折减系数统计分布图(如图3所示)，确定具体的冲蚀细颗粒总量及可冲蚀的颗粒。开展离散元三轴固结剪切模拟，对步骤S5所形成的蚀后试样模型进行蚀后响应的模拟研究，生成侵蚀前以及不同侵蚀量下试样的应力应变关系，如图4所示。
本发明的工作原理及过程为：本发明的目的是避免开展计算用时较长的渗流冲蚀过程模拟，根据颗粒冲蚀与颗粒应力状态和水力梯度的关系，建立一种渗透破坏蚀后响应快速准确模拟方法。具体是通过应力折减系数间接表征细颗粒应力状态，并基于渗透破坏条件下颗粒冲蚀的机理，确定细颗粒应力与其可冲蚀性的理论关系。对于渗透破坏冲蚀前的数值试样，通过计算其细颗粒应力折减系数的统计分布曲线，并与实际渗流场的水力梯度相对应，确定出该试样在流场中具体的可冲蚀颗粒，然后通过删除该部分颗粒来准确模拟蚀后试样，并进行蚀后响应的模拟分析。采用该方法可以快速、精确地模拟实际渗流场作用下发生渗透破坏的试样状态，并对其蚀后响应进行有效地模拟与分析。
本发明的有益效果为：
(1)准确性高：本发明基于颗粒应力状态及待施加的水力梯度判定可冲蚀颗粒，符合实际冲蚀情况。
(2)适用条件范围广：对于任意水力梯度的渗流场，本发明均可以计算与其水力梯度相对应的应力折减系数界限值，并基于细颗粒应力折减系数的统计分布曲线判断可冲蚀细颗粒的应力条件以及冲蚀量。
(3)模拟效率高：通过细颗粒应力折减系数的计算直接判定其可冲蚀性，避免了传统数值模拟方法中需要模拟完整的渗流冲蚀过程，在保证模拟精度的前提下，极大加快了模拟速度。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种土体内部侵蚀变形响应模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采集土体试样，构建数值模拟试样模型，并按土体实际应力状态对数值模拟试样模型进行加压固结；
S2：在数值模拟试样模型中，利用Voronoi剖分方法计算加压固结后的数值模拟试样模型中各个细颗粒的应力折减系数；
S3：根据各个细颗粒的应力折减系数，生成数值模拟试样模型中细颗粒的应力折减系数统计分布图；
S4：计算土体试样中细颗粒冲蚀的应力折减系数临界值，并根据细颗粒的应力折减系数统计分布图，确定细颗粒侵蚀总量；
S5：根据数值模拟试样模型中各个细颗粒的应力折减系数和细颗粒冲蚀的应力折减系数临界值，确定侵蚀变形试样模型；
S6：利用离散元三轴固结剪切模拟方法确定侵蚀变形试样模型的强度特征和变形特征；
S7：将细颗粒侵蚀总量、强度特征和变形特征作为土体内部侵蚀变形响应模拟的结果；
所述步骤S2包括以下子步骤：
S21：在数值模拟试样模型中，确定加压固结后的数值模拟试样模型中各个细颗粒j的Voronoi晶格；
S22：将各个细颗粒j的体积和其对应的孔隙体积作为各个细颗粒j的Voronoi晶格体积Vj；
S23：根据各个细颗粒j的Voronoi晶格体积Vj，利用Voronoi剖分方法计算各个细颗粒j的应力折减系数αj DEM；
所述步骤S21中，Voronoi晶格由数值模拟试样模型中各个颗粒相接触点连线的中垂线组成的连续多边形组成；
所述步骤S23中，各个细颗粒j的应力折减系数αj DEM的计算公式为：
Figure FDA0003521132220000021
其中，p'表示土体试样所受平均有效应力，p'j表示细颗粒所受平均有效应力，Vj表示细颗粒的Voronoi晶格体积，pj p表示细颗粒所受平均法向压力，V表示土体试样总体积，Np表示细颗粒数量，pp表示单个细颗粒所受平均法向压力，Vj p表示细颗粒的体积，Vp表示单个细颗粒的体积；
所述步骤S4中，土体试样中细颗粒冲蚀的应力折减系数临界值αcr的计算公式为：
Figure FDA0003521132220000022
其中，i表示渗流环境中流场的水力梯度，γw表示水的容重，Δz表示土体试样高度，σt表示土体试样的顶部荷载，γ'表示土体试样材料的浮容重。
2.根据权利要求1所述的土体内部侵蚀变形响应模拟方法，其特征在于，所述步骤S1中，构建数值模拟试样模型的具体方法为：根据土体试样的颗粒级配和土粒比重，利用离散元数值模拟软件构建数值模拟试样模型。
3.根据权利要求1所述的土体内部侵蚀变形响应模拟方法，其特征在于，所述步骤S5中，若αj DEM>αcr，将该细颗粒作为稳定颗粒，否则将该颗粒作为易侵蚀颗粒；删除土体试样中的易侵蚀颗粒形成侵蚀变形试样模型。
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