一种基于细观结构模型的土石混合体弹性模量计算方法

本发明涉及岩土材料细观数值，具体涉及一种基于细观结构模型的土石混合体弹性模量计算方法。

背景技术：

1、实际工程中，土石混合体材料的物理力学特性除了主要受岩土材料的物质组成、结构影响外，主要还受赋存环境影响，尤其是地应力环境的影响。可见，弹性模量作为土石混合体的重要物理力学参数，除受含石量影响外，还具有因地应力产生的围压效应。

2、由于土石混合体的组构特征比较复杂，具有高度的非均一性、不连续性、空间变异性及环境依赖性等，因内部各组分含量的不同，颗粒形状、空间分布及排列方式等的差异，导致其宏细观力学特性千差万别。传统的宏观分析方法不能考虑内部的细观结构特征，难以描述不同组分之间的细观力学以及细观结构对宏观力学特性的影响。基于细观结构模型的数值模拟方法的发展，为研究材料的细观结构力学特征、宏观力学行为，继而提出细观结构特征、外界因素与宏观物理力学参数之间的关系提供了实现的可能。在以往的土石混合体研究中，通常只对土石混合体中的土体基质进行试验，再乘以一定的修正系数的方式来确定土石混合体的力学参数。该方法存在较大的随意性，且不能考虑和描述内部结构对材料宏观力学性质的影响。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提出了一种基于细观结构模型的土石混合体弹性模量计算方法，有效的解决了在进行工程设计与施工时，难以给出有效的物理力学参数等问题，可直接用于由土石混合体材料构成的实际工程中。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。

3、一种基于细观结构模型的土石混合体弹性模量计算方法，包括以下步骤：

4、通过筛分试验获得土石混合体颗粒的级配曲线，根据级配曲线构建不同含石量的土石混合体二维随机细观结构模型；

5、采用有限元方法，对不同含石量的土石混合体二维随机细观结构模型进行不同围压的双轴压缩数值试验，通过轴向应变等于1％时对应的割线弹性模量，分别确定不同含石量、不同围压的土石混合体等效弹性模量；

6、基于不同含石量、不同围压的土石混合体等效弹性模量，采用二元二次多项式回归模型表达式拟合，获得考虑含石量、围压的土石混合体宏观等效弹性模量。

7、优选地，所述土石混合体二维随机细观结构模型的构建，具体包括：基于网格映射法按原级配生成不同含石量的土石混合体二维随机细观结构模型。

8、优选地，所述土石混合体等效弹性模量的计算公式如下：

9、e＝(σ1-σ3)/ε

10、式中，e表示土石混合体宏观等效弹性模量，σ1-σ3表示偏应力，ε表示轴向应变。

11、优选地，所述考虑含石量、围压的土石混合体宏观等效弹性模量的获取，包括以下步骤：

12、基于不同含石量、不同围压的土石混合体等效弹性模量，采用二元二次多项式回归模型表达式拟合获得考虑含石量、围压的土石混合体宏观等效弹性模量：

13、e＝e0+aζ+bσ3+cζ2+dσ32+eζσ3

14、式中，e表示土石混合体宏观等效弹性模量，ζ表示含石量，σ3表示围压，e0、a、b、c、d、e分别为回归模型参数系数。

15、本发明的有益效果：

16、本发明根据筛分试验获得土石混合体颗粒级配曲线，并根据级配曲线生成土石混合体随机细观结构模型，所生成的模型与原状土石混合体具有几何相似性，保证了基于此模型开展的数值试验结果的可信度。该方法解决土石混合体地质材料中存在的难以给出有效的物理力学参数等问题，解决了以往物理力学参数选取方法的随意性，并考虑和描述了内部结构对材料宏观力学性质的影响。

技术特征：

1.一种基于细观结构模型的土石混合体弹性模量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于细观结构模型的土石混合体弹性模量计算方法，其特征在于，所述土石混合体二维随机细观结构模型的构建，具体包括：基于网格映射法按原级配生成不同含石量的土石混合体二维随机细观结构模型。

3.根据权利要求1所述的一种基于细观结构模型的土石混合体弹性模量计算方法，其特征在于，所述土石混合体等效弹性模量的计算公式如下：

4.根据权利要求3所述的一种基于细观结构模型的土石混合体弹性模量计算方法，其特征在于，所述考虑含石量、围压的土石混合体宏观等效弹性模量的获取，包括以下步骤：

技术总结
本发明提供一种基于细观结构模型的土石混合体弹性模量计算方法，属于岩土材料细观数值模拟领域，包括以下步骤：通过筛分试验获得土石混合体颗粒的级配曲线，构建不同含石量的土石混合体二维随机细观结构模型；采用有限元方法，对不同含石量、不同围压的土石混合体二维随机细观结构模型进行双轴压缩数值试验；根据土石混合体细观结构力学特征和宏观力学行为，通过轴向应变等于1％时对应的割线弹性模量，分别确定不同含石量、不同围压的土石混合体等效弹性模量，并拟合考虑含石量、围压的土石混合体宏观等效弹性模量。本方法有效的解决了在进行工程设计与施工时，难以给出有效的物理力学参数等问题，可直接用于由土石混合体材料构成的实际工程中。

技术研发人员：曹茂森,陶梅,任青文,姜亚洲,张林飞,顾嘉丰,潘丽霞
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13