强夯碎石土PFC颗粒滚动阻力摩擦系数标定方法与流程

强夯碎石土pfc颗粒滚动阻力摩擦系数标定方法
技术领域
1.本发明属于pfc数值模拟分析领域，具体涉及一种强夯碎石土pfc颗粒滚动阻力摩擦系数标定方法。


背景技术：

2.pfc(颗粒流程序particle follow code)作为离散元数值模拟分析软件，能很好地从细观上反映出碎石土的不连续性，对动力作用下的颗粒流动和大变形问题可以进行很好的模拟。
3.由于使用pfc软件建模时，不能直接指定材料的宏观物理性质，必须在物理试验结果的基础上对参数进行标定，以获取相应的细观参数，使所建模型得到与实际材料宏观性质一致的力学响应。对于碎石土，常规标定方法一般采用现场试验得到其粘聚力和内摩擦角，再通过pfc建立双轴或三轴数值试验模型，进行不同围压条件下的压缩试验，得出偏应力—轴向应变曲线。根据莫尔—库伦强度理论，将计算出的粘聚力和内摩擦角与实际宏观参数相比较，从而得出粘聚力和内摩擦角与现场试验一致时的细观参数。
4.上述方法具有一定的盲目性，且步骤繁琐，可操作性不强。因此，需要提供一种更加便捷可靠的pfc颗粒滚动阻力摩擦系数标定方法。


技术实现要素：

5.鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明旨在提供一种强夯碎石土pfc颗粒滚动阻力摩擦系数标定方法，使碎石土的pfc细观参数标定更加便捷可靠。
6.为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：
7.本发明实施例提供一种强夯碎石土pfc颗粒滚动阻力摩擦系数标定方法，所述方法包括：
8.步骤s1，获取强夯后碎石土地基土体重度γ、孔隙率n、粘聚力c及内摩擦角并利用所获取的所述土体重度γ、孔隙率n、粘聚力c及内摩擦角根据卡尔曼法计算直立边坡的临界高度h
cr
：
[0009][0010]
步骤s2，利用筛分法获取地基土样的颗粒级配，并基于获取的所述地基土样的颗粒级配、重度及孔隙率，利用pfc2d颗粒流软件创建地基模型，其中，通过调整滚动阻力摩擦系数的大小，获得不同的地基模型；
[0011]
步骤s3，以所述直立边坡临界高度h
cr
为开挖高度，依据所得的不同地基模型进行直立开挖，开挖坑壁保持稳定而不坍塌时所使用的地基模型对应的滚动阻力摩擦系数即为所确定的与实际碎石土地基相适应的细观参数。
[0012]
可选的，创建所述地基模型过程中所使用的颗粒间接触模型选取抗滚动线性接触模型，颗粒与墙体间接触模型选取线性接触模型，所述抗滚动线性接触模型的细观参数包
括：接触法向刚度、接触切向刚度、摩擦系数、滚动阻力摩擦系数；所述线性接触模型的细观参数包括：接触法向刚度、接触切向刚度、摩擦系数，其值与所述抗滚动线性接触模型的细观参数一致。
[0013]
可选的，所述摩擦系数取值范围为1.0～1.2。
[0014]
可选的，所述步骤s1还包括：获取强夯后碎石土的弹性模量e，
[0015]
所述法向刚度kn和切向刚度ks通过如下公式计算获得：
[0016][0017]
其中，e
*
为有效模量，其根据所述弹性模量e获得，k
*
为刚度比，其取值范围为1.0～1.5，a＝2r，r为颗粒半径，对于两个接触颗粒取其中较小值，l为两个接触颗粒圆心之间的距离。
[0018]
可选的，所述通过调整滚动阻力摩擦系数的大小，得到不同的地基模型包括：
[0019]
令所述滚动阻力摩擦系数μr初始值为0.1，按照每次增加0.1依次计算，建立不同的地基模型。
[0020]
本发明实施例所提供的技术方案具有如下有益效果：
[0021]
本发明实施例所提供的强夯碎石土pfc颗粒滚动阻力摩擦系数标定方法，通过获取强夯后碎石土的土体重度，孔隙率，粘聚力及内摩擦角等参数，根据卡尔曼法临界高度计算公式，计算获得直立边坡的临界高度h
cr
。采用pfc2d颗粒流软件建立碎石土地基模型，通过不断调整滚动阻力摩擦系数的大小，得到不同的地基模型，以计算所得的临界高度h
cr
基于各模型进行开挖模拟，以开挖后坑壁刚好保持稳定状态为标准，确定符合实际的滚动阻力摩擦系数，从而获得可以真实模拟碎石土地基的pfc模型及对应的滚动阻力摩擦系数。解决了采用pfc模拟强夯碎石土地基时，细观参数的标定问题，为强夯碎石土地基滚动阻力摩擦系数的标定提供了一种便捷、快速可靠的方法。
[0022]
当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
[0023]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0024]
图1为本发明实施例所述强夯碎石土pfc颗粒滚动阻力摩擦系数标定方法流程图；
[0025]
图2为本发明实施例所述pfc模拟开挖示意图。
具体实施方式
[0026]
本技术发明人在发现上述问题后，对强夯碎石土地基的力学特性进行了细致研究。研究发现，强夯处理后的碎石土地基在开挖一定高度时可保持稳定，这与无粘性土性质不符，因此，可认为强夯后的碎石土地基由于土颗粒相互嵌入咬合、土体挤密，呈现出“假粘聚力”现象，因此可将其看作粘性土，适用卡尔曼法临界高度计算公式。据此，可通过pfc数
值模拟软件进行数值试验，模拟强夯碎石土地基开挖，得到与计算临界开挖高度相同而坑壁刚好保持稳定状态时的滚动阻力摩擦系数。
[0027]
本技术结合强夯碎石土的假粘聚力特性，采用pfc颗粒流软件对其进行开挖模拟，发现采用抗滚动线性接触模型模拟碎石土时，其开挖后保持稳定的性质主要取决于滚动阻力摩擦系数的大小，而其他细观参数对其影响较小。因此，可通过不断调整滚动阻力摩擦系数来实现模型开挖高度与计算临界开挖高度的吻合。以此得到强夯碎石土地基数值模型的准确细观参数。基于此，本技术提供了一种强夯碎石土pfc颗粒滚动阻力摩擦系数标定方法。
[0028]
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的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征也可以相互组合。
[0029]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为只是或暗示相对重要性。
[0030]
如图1中所示，为本发明实施例所提供的一种强夯碎石土pfc颗粒滚动阻力摩擦系数标定方法的流程图，所述方法包括如下步骤：
[0031]
步骤s1，获取强夯后碎石土地基土体重度γ、孔隙率n、粘聚力c及内摩擦角φ，并利用所获取的所述土体重度γ、孔隙率n、粘聚力c及内摩擦角φ，根据卡尔曼法计算直立边坡的临界高度h
cr
：
[0032][0033]
本步骤中，可通过现场试验来获取上述各参数。碎石土强夯后由于土颗粒相互嵌入咬合，土体挤密，在一定的开挖高度内能保持稳定状态，呈现出“假粘聚力”现象。因此可将其看作粘性土，适用卡尔曼法临界高度计算公式。
[0034]
步骤s2，利用筛分法获取地基土样的颗粒级配，基于获取的所述地基土样的颗粒级配、重度及孔隙率，利用pfc2d颗粒流软件创建地基模型，其中，通过调整滚动阻力摩擦系数的大小，获得不同的地基模型；
[0035]
本步骤中，因碎石土粒径大小和形状极不规则，采用pfc圆形颗粒模拟，故颗粒间接触模型选用抗滚动线性接触模型，以减小圆形颗粒形状对碎石土地基数值模拟的影响，而颗粒与墙体见接触则选用线性接触模型模型即可。
[0036]
所述pfc2d颗粒流软件为已有技术，本发明对此不做具体限制。
[0037]
其中，抗滚动线性接触模型的细观参数包括接触法向刚度kn、接触切向刚度ks、摩擦系数μ、滚动阻力摩擦系数μr。其中接触法向刚度kn和接触切向刚度ks可通过设置有效模量e
*
和刚度比k
*
间接得到，刚度比可设置为1.0～1.5之间，有效模量e
*
可按碎石土实际弹性模量e设置，所述弹性模量e可在步骤s1中获取强夯后碎石土地基土体重度γ、孔隙率n、粘聚力c及内摩擦角φ的同时获取到，在pfc2d中，接触法向刚度kn和接触切向刚度ks计算公式如下：
[0038][0039]
上述公式中，a＝2r，r为颗粒半径，对于两个接触颗粒取其中较小值，l为两个接触颗粒圆心之间的距离。
[0040]
摩擦系数μ敏感性较弱，取值范围为1.0～1.2。滚动阻力摩擦系数μr为需标定参数，可先任意设置一个初始值。
[0041]
线性接触模型的细观参数包括接触法向刚度、接触切向刚度、摩擦系数，其值均与抗滚动线性接触模型的细观参数一致。
[0042]
本步骤中，保持其他细观参数不变，对滚动阻力摩擦系数进行调整，的一种实施例为：令所述滚动阻力摩擦系数μr初始值为0.1，按照每次增加0.1依次计算，建立不同的地基模型，也就是滚动阻力摩擦系数μr依次取值为μr＝0.1、0.2、0.3
…
，建立不同的地基模型。
[0043]
步骤s3，以所述直立边坡临界高度h
cr
为开挖高度，依据所得的不同地基模型进行直立开挖，开挖坑壁保持稳定而不坍塌时所使用的地基模型对应的滚动阻力摩擦系数即为所确定的与实际碎石土地基相适应的细观参数。
[0044]
本步骤中对各地基模型进行开挖模拟，开挖高度为h
cr
，以开挖后坑壁刚好保持稳定状态为标准，此时的滚动阻力摩擦系数即可与强夯碎石土的物理力学性质参数相匹配。
[0045]
下面通过一个具体的实例，对本发明做进一步详细的说明。如图2中所示为pfc模拟开挖示意图。
[0046]
步骤s1，获取强夯后碎石土地基土体重度为22kn/m3、孔隙率为0.3、粘聚力为6kpa、内摩擦角为20
°
，根据卡尔曼法临界高度计算公式，得直立边坡的临界高度为：h
cr
＝1.5m。
[0047]
步骤s2，由筛分法获得地基土样的颗粒级配为：
[0048]
表1地基土样颗粒级配表
[0049]
级配区间/mm10～3030～5050～100100～200200～300300～400质量百分数/％19.913.117.924.415.88.9
[0050]
根据土样的颗粒级配、颗粒密度及孔隙率采用pfc2d颗粒流软件创建强夯碎石土填方地基模型，选择合适的接触模型并设置细观参数。细观参数初始值如下表：
[0051]
表2细观参数初始值
[0052]
参数名称有效模量/pa接触刚度比摩擦系数滚动阻力摩擦系数取值1
×
1081.11.10.1
[0053]
调整滚动阻力摩擦系数的大小，依次将滚动阻力摩擦系数取值为0.1、0.2、0.3
…
，建立不同的地基模型。
[0054]
步骤s3，对各模型进行开挖模拟，开挖高度为3.4m，当滚动阻力摩擦系数μr为1.5时，开挖坑壁恰好能保持稳定而不坍塌，故该强夯碎石土地基对应的细观参数μr即为1.5。
[0055]
根据标定所得的滚动阻力摩擦系数，即可对强夯碎石土地基进行准确的pfc数值模拟。
[0056]
本发明实施例所提供的强夯碎石土pfc颗粒滚动阻力摩擦系数标定方法，通过获取强夯后碎石土的土体重度，孔隙率，粘聚力及内摩擦角等参数，根据卡尔曼法临界高度计算公式，计算获得直立边坡的临界高度h
cr
。采用pfc2d颗粒流软件建立碎石土地基模型，通过不断调整滚动阻力摩擦系数的大小，得到不同的地基模型，以计算所得的临界高度h
cr
基
于各模型进行开挖模拟，以开挖后坑壁刚好保持稳定状态为标准，确定符合实际的滚动阻力摩擦系数，从而获得可以真实模拟碎石土地基的pfc模型及对应的滚动阻力摩擦系数。解决了采用pfc模拟强夯碎石土地基时，细观参数的标定问题，为强夯碎石土地基滚动阻力摩擦系数的标定提供了一种便捷、快速可靠的方法。
[0057]
以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明，并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的优选实施例。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。