CN117409870A - 一种土石混合体侧限压缩变形的细观力学预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土石混合体侧限压缩变形的细观力学预测方法，包括：对基质土进行室内压缩试验得到基质侧限压缩模型和基质的初始孔隙比；构建宏细观应变联系；基于基质侧限压缩模型和宏细观应变联系得到任意土石混合体压缩应变下的基质压缩应力；构建应力传递模型，基于应力传递模型和基质压缩应力得到土石混合体压缩应力；基于土石混合体压缩应力预测得到土石混合体的侧限压缩应力‑应变关系。本发明实现了考虑基质非线性变形特征的土石混合体侧限压缩变形的准确预测，具有计算流程简单，参数少和物理意义明确的特点，预测方法具有一般性、适应范围广，便于工程应用，降低了土石混合体的制样和试验的财力、物力成本。
Description
技术领域
本发明涉及细观力学预测技术领域，特别涉及一种土石混合体侧限压缩变形的细观力学预测方法。
背景技术
为了描述土石混合体的侧限压缩变形，很多研究采用压缩指数来表征土石混合体的抵抗变形的能力，建立压缩指数和含石量之间的经验关联式，不具有一般性。从细观构成上来说，土石混合体具有土石两相复合结构，整体力学行为是基质土和块石力学特性的耦合结果，不同细观因素变化下的组合将导致土石混合体的整体变形性质发生变化。室内试验耗费大量的人力、物力，难以得到土石混合体侧限压缩下土石应力传递特征，难以建立土石混合体侧限变形的一般性预测方法。细观力学解析可以建立任意构成条件下土石混合体的变形特性演化，但是严格的数学推导相对复杂，不利于工程应用。因此，理解土石混合体变形的细观机制并建立一般性的预测方法对于工程地质灾害的防治具有重要的工程意义。
发明内容
针对现有技术中存在技术缺陷或改进需求，本发明的目的在于提出一个建立土石混合体侧限压缩变形的实用细观力学预测方法。
本发明提供的一种土石混合体侧限压缩变形的细观力学预测方法，包括：
对基质土进行室内压缩试验得到基质侧限压缩模型和基质的初始孔隙比；
构建宏细观应变联系；
基于所述基质侧限压缩模型和所述宏细观应变联系得到任意土石混合体压缩应变下的基质压缩应力；
构建应力传递模型，基于所述应力传递模型和所述基质压缩应力得到土石混合体压缩应力；
基于所述土石混合体压缩应力预测得到土石混合体的侧限压缩应力-应变关系。
可选地，基于基质土的应力-应变关系拟合得到所述基质侧限压缩模型。
可选地，基于所述基质侧限压缩模型和宏细观应变联系得到任意土石混合体压缩应变下的基质压缩应力的过程包括：
基于土石混合体获得块石体积含量和弹性模量；
基于所述块石体积含量构建宏细观应变联系，基于所述宏细观应变联系得到基质压缩应变和基质的当前孔隙比；
基于所述基质压缩应变和所述基质侧限压缩模型得到任意土石混合体压缩应变下的基质压缩应力。
可选地，获得块石体积含量的过程包括：
基于筛分法得到石混合体内部的块石质量；
测定块石密度；
基于所述块石密度和所述块石质量得到块石体积含量。
可选地，获得块石的弹性模量的过程包括：
对所述块石进行取芯得到块石样本；
对所述块石样本进行单轴压缩试验得到所述弹性模量。
可选地，计算任意土石混合体压缩应变下的基质压缩应变和基质压缩应力的过程还包括基于所述基质的初始孔隙比获得土石混合体的整体孔隙比，所述土石混合体的整体孔隙比为：
式中，eSRM0表示土石混合体的整体孔隙比，VBP表示土石混合体的块石体积含量，eM0表示基质的初始孔隙比。
可选地，所述宏细观应变联系的计算公式为：
εM＝εM/(1-VBP)
式中，εM表示基质压缩应变；
其中，基于所基质压缩应变得到基质的当前孔隙比，所述基质压缩应变和所述当前孔隙比的关系为：
eM＝eM0-εM(1+eM0)
式中，eM表示当前孔隙比。
可选地，所述应力传递模型的计算公式为：
式中，EM表示基质土的压缩模量，ER表示块石的弹性模量，σSRM表示土石混合体压缩应力，σM表示基质压缩应力。
本发明具有如下技术效果：
本发明的一种土石混合体侧限压缩变形的细观力学预测方法中，仅需要对基质土开展常规的侧限压缩试验，基于基质土的侧限压缩模型实现了考虑基质非线性变形特征的土石混合体侧限压缩变形的准确预测，具有计算流程简单，参数少和物理意义明确的特点，预测方法具有一般性、适应范围广，便于工程应用，降低了土石混合体的制样和试验的财力、物力成本。
本发明的一种土石混合体侧限压缩变形的细观力学预测方法中，以土石混合体宏观-细观(土、石)应力应变联系为切入点，将土石混合体宏观应变降尺度求解基质土应变，代入基质土的侧限压缩模型获得基质压缩应力，其中精度满足的前提下，基质土的非线性压缩模型可以通过任意数学形式的拟合，提高了适应性。以应力传递方程为基础，求解基质和土石混合体压缩应力之间的联系，具有细观力学基础。可以估算土石混合体宏观压缩变形(应变和孔隙比)随压缩应力之间的关系，计算精度较高，可用于水利、岩土工程中的土石混合体压缩变形估算和控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中的推导思路图；
图2为本发明实施例中的技术路线图；
图3为本发明实施例中砂土基质的级配和压缩特性图，其中，图(a)表示砂土基质的级配图，图(b)表示压缩特性图；
图4为本发明实施例中的砂土基质土石混合体压缩特性的试验结果与模型对比图，其中，图(a)表示不同含石量下土石混合体压缩应变-应力曲线图，图(b)表示不同含石量下土石混合体孔隙比-应力曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1-图2所示，本实施例公开了一种土石混合体侧限压缩变形的细观力学预测方法，具体包括以下步骤：
对基质土进行室内压缩试验得到基质侧限压缩模型和基质的初始孔隙比，具体实施过程包括步骤1。
步骤1：通过室内压缩试验得到基质土的侧限压缩应力-应变(σM-εM)关系和基础物理力学参数。
由基质土应力-应变关系的拟合得到侧限压缩模型(任意数学形式)，土的基础物理力学参数包括基质的初始孔隙比eM0。
如图3所示，砂土基质的级配和压缩特性。初始孔隙比为0.616，压缩本构拟合为σm＝1000[exp(61.5εm-1.19)-exp(-1.19)]。
构建宏细观应变联系；基于基质侧限压缩模型和宏细观应变联系得到任意土石混合体压缩应变下的基质压缩应力，具体实施过程包括步骤2-步骤3。
步骤2：获得土石混合体的块石体积含量VBP和弹性模量ER,根据宏细观孔隙比联系计算土石混合体的整体孔隙比eSRM0。
通过筛分法获得土石混合体内部的块石质量，测定其密度进行换算；通过大块石的取芯进行单轴压缩试验获得弹性模量，宏细观孔隙比联系为
步骤3：对于任意土石混合体的压缩应变εSRM，根据土石混合体宏细观应变联系计算基质压缩应变εM和当前的孔隙比eM，根据基质土侧限压缩模型求解基质的压缩应力σM。
宏细观应变联系：εM＝εM/(1-VBP)，基质当前孔隙比和应变的关系eM＝eM0-εM(1+eM0)，基质土侧限压缩模型为步骤1的拟合数学式。
构建应力传递模型，基于应力传递模型和基质压缩应力得到土石混合体压缩应力，基于土石混合体压缩应力预测得到土石混合体侧限压缩应力-应变关系，具体实施过程包括步骤4-步骤5。
步骤4：计算基质土在不同压缩应变(孔隙比)下εM的压缩模量。
黏土的压缩模量表达式为：砂土的压缩模量为βS为常数。
步骤5：利用应力传递公式由基质应力计算土石混合体的压缩应力σSRM，同时根据压缩应变与孔隙比的关系计算土石混合体的当前孔隙比eSRM。
应力传递公式：式中
孔隙比和压缩应变之间的关系为：eSRM＝e0-ε(1+e0)。
如图4所示，验证案例中，其中，βS＝0.3。块石刚度为2.0Gpa,块石含量为0～40％，得到砂土基质土石混合体压缩特性的试验结果与模型对比。
本发明的一种土石混合体侧限压缩变形的细观力学预测方法中，仅需要对基质土开展常规的侧限压缩试验，结合基质土的侧限压缩模型、块石的弹性模量和体积含量，实现了考虑基质非线性变形特征的土石混合体侧限压缩变形的准确预测。
本发明的一种土石混合体侧限压缩变形的细观力学预测方法中，以土石混合体宏观-细观(土、石)应力应变联系为切入点，将土石混合体宏观应变降尺度求解基质土应变，代入基质土的侧限压缩模型获得基质压缩应力，其中精度满足的前提下，基质土的非线性压缩模型可以通过任意数学形式的拟合，提高了适应性。以应力传递方程为基础，求解基质和土石混合体压缩应力之间的联系，具有细观力学基础。可以估算土石混合体宏观压缩变形(应变和孔隙比)随压缩应力之间的关系，计算精度较高，可用于水利、岩土工程中的土石混合体压缩变形估算和控制。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种土石混合体侧限压缩变形的细观力学预测方法，其特征在于，包括：
对基质土进行室内压缩试验得到基质侧限压缩模型和基质的初始孔隙比；
构建宏细观应变联系；
基于所述基质侧限压缩模型和所述宏细观应变联系得到任意土石混合体压缩应变下的基质压缩应力；
构建应力传递模型，基于所述应力传递模型和所述基质压缩应力得到土石混合体压缩应力；
基于所述土石混合体压缩应力预测得到土石混合体的侧限压缩应力-应变关系。
2.根据权利要求1所述的土石混合体侧限压缩变形的细观力学预测方法，其特征在于，基于基质土的应力-应变关系拟合得到所述基质侧限压缩模型。
3.根据权利要求1所述的土石混合体侧限压缩变形的细观力学预测方法，其特征在于，基于所述基质侧限压缩模型和宏细观应变联系得到任意土石混合体压缩应变下的基质压缩应力的过程包括：
基于土石混合体获得块石体积含量和弹性模量；
基于所述块石体积含量构建宏细观应变联系，基于所述宏细观应变联系得到基质压缩应变和基质的当前孔隙比；
基于所述基质压缩应变和所述基质侧限压缩模型得到任意土石混合体压缩应变下的基质压缩应力。
4.根据权利要求3所述的土石混合体侧限压缩变形的细观力学预测方法，其特征在于，获得块石体积含量的过程包括：
基于筛分法得到石混合体内部的块石质量；
测定块石密度；
基于所述块石密度和所述块石质量得到块石体积含量。
5.根据权利要求3所述的土石混合体侧限压缩变形的细观力学预测方法，其特征在于，获得块石的弹性模量的过程包括：
对所述块石进行取芯得到块石样本；
对所述块石样本进行单轴压缩试验得到所述弹性模量。
6.根据权利要求3所述的土石混合体侧限压缩变形的细观力学预测方法，其特征在于，计算任意土石混合体压缩应变下的基质压缩应变和基质压缩应力的过程还包括基于所述基质的初始孔隙比获得土石混合体的整体孔隙比，所述土石混合体的整体孔隙比为：
式中，eSRM0表示土石混合体的整体孔隙比，VBP表示土石混合体的块石体积含量，eM0表示基质的初始孔隙比。
7.根据权利要求3所述的土石混合体侧限压缩变形的细观力学预测方法，其特征在于，所述宏细观应变联系的计算公式为：
εM＝εM/(1-VBP)
式中，εM表示基质压缩应变；
其中，基于所基质压缩应变得到基质的当前孔隙比，所述基质压缩应变和所述当前孔隙比的关系为：
eM＝eM0-εM(1+eM0)
式中，eM表示当前孔隙比。
8.根据权利要求1所述的土石混合体侧限压缩变形的细观力学预测方法，其特征在于，所述应力传递模型的计算公式为：
式中，EM表示基质土的压缩模量，ER表示块石的弹性模量，σSRM表示土石混合体压缩应力，σM表示基质压缩应力。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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