一种提高工程尺度下边坡离散元数值模拟准确性的方法与流程

本发明涉及地质灾害防治领域，具体涉及一种提高工程尺度下边坡离散元数值模拟准确性的方法。

背景技术：

1、地质灾害是一种能够引起环境、生命财产严重损失的地质现象，每年发生地质灾害的数量较大，总计超过8000起，其中由于边坡失稳导致的滑坡及崩塌占比超过70％，造成了极其严重的生命及财产损失。目前，基于离散元的数值模拟技术是模拟边坡演化、失稳、运动全过程的重要工具之一，理论上来讲，离散元颗粒的粒径越小，颗粒接触模型细观参数标定越准确，数值模拟效果越接近边坡实际的力学行为及演化规律。

2、然而，由于目前计算机算力资源及离散元模拟软件本身的限制，工程尺度下边坡离散元数值分析模型中填充的颗粒数量受到极大的限制，因此在工程尺度下必然伴随着颗粒直径的成倍增加。而且，工程尺度下边坡离散元数值分析模型中颗粒接触模型细观参数标定的准确性也是影响数值模拟准确性的重要因素之一，目前通常采用基于真实试样尺寸下对颗粒接触模型的细观参数进行标定后，直接作为工程尺度下离散元数值分析模型中的颗粒接触模型细观参数进行模拟计算，由于颗粒的尺寸效应，这种小尺度标定大尺度应用的方法存在非常大的误差，导致数值模拟结果准确性较差。

技术实现思路

1、本发明意在提供一种提高工程尺度下边坡离散元数值模拟准确性的方法，在工程尺度下，实现边坡离散元数值分析模型颗粒直径和数量的合理确定、及颗粒接触模型细观参数的准确标定，以解决工程尺度下离散元数值分析模型中填充颗粒的直径和数量难以合理确定以及小尺度下颗粒接触模型中标定好的细观参数难以准确映射至工程尺度从而导致工程尺度下边坡离散元数值模拟准确性不高的问题。

2、本方案中的提高工程尺度下边坡离散元数值模拟准确性的方法，包括以下步骤：

3、s1，获取目标边坡的地质条件、地形地貌及岩土体物理力学参数试验结果；

4、s2，构建与s1得到岩土体物理力学参数试验结果的物理力学试验所用试样同等尺度的离散元数值模型，确定离散元数值模型中填充的最小颗粒直径、颗粒粒径分布、最大颗粒直径并进行颗粒充填；

5、s3，基于s1中获取的岩土体物理力学参数试验结果，对离散元数值模型中颗粒接触模型中的第一细观参数进行标定；

6、还包括以下步骤：

7、s4，基于s1所述的目标边坡的地质条件、地形地貌信息，构建工程尺度下的目标边坡演化数值分析模型；

8、s5，基于包括了s2中离散元数值模型、最小颗粒直径、颗粒粒径分布和最大颗粒直径的预设规则，确定s4所述工程尺度下目标边坡演化数值分析模型中颗粒直径和颗粒接触模型中的第二细观参数；

9、s6，基于s4中确定的目标边坡演化数值分析模型及s5中确定的颗粒直径和第二细观参数，根据模拟工况条件，对目标边坡在模拟工况条件下的演化过程进行数值模拟，得到数值模拟结果。

10、本方案的有益效果是：

11、通过在工程尺度下合理确定离散元数值分析模型中填充颗粒的直径和数量，以及将小尺度下颗粒接触模型中标定好的细观参数映射至工程尺度，提高工程尺度下边坡离散元数值模拟准确性和精度，以在后续进行精准的地质灾害预测。

12、进一步，所述s1中，采集待模拟的目标边坡的调勘查资料，并基于调勘查资料明确目标边坡的地质条件、地形地貌及岩土体物理力学参数试验结果，若调勘查资料中没有明确目标边坡岩土体物理力学参数试验结果，则通过现场试验及实验室试验的方式对目标边坡岩土体取样得到的岩心进行物理力学试验，得到目标边坡岩土体物理力学参数试验结果。

13、有益效果是：以目标边坡的调勘察资料获取地质条件、地质地质和物理力学参数，若无法从调勘察资料中获取，再通过试验方式获取，提高基础资料获取的准确性。

14、进一步，所述s2中，所述最小颗粒直径根据待模拟的目标边坡空间尺寸、计算机算力资源、模拟时效性要求进行确定，在颗粒充填时，所述颗粒粒径分布和最大颗粒直径按照目标边坡岩土体颗粒级配分布进行确定，当岩土体颗粒级配分布不明确或计算机算力资源不满足时，按照均匀分布进行简化处理确定颗粒粒径分布。

15、有益效果是：按照目标边坡岩土体颗粒级配分布，确定颗粒充填时颗粒粒径分布最大程度的接近工程实际，保证数值模拟结果的准确性。

16、进一步，所述s2中，按照均匀分布确定颗粒粒径分布时，所述的离散元数值模型中填充的最大颗粒直径dmax按照下式确定：

17、dmax＝1.6dmin；

18、式中，dmin为s2中所述离散元数值模型中填充的最小颗粒直径。

19、有益效果是：在当岩土体颗粒级配分布不明确或计算机算力资源不满足时提供了一致明确的颗粒粒径分布及最大颗粒直径的确定方法，便于工程人员实际操作。

20、进一步，所述s4中，所述目标边坡演化数值分析模型中地层结构与目标边坡的地质条件和地形地貌保持基本一致。

21、有益效果是：以模型与实际地质条件和地形地貌具有较大一致性，能够使构建的目标边坡离散元数值分析模型更加接近工程实际，保证数值模拟结果的准确性。

22、进一步，所述s5中，所述预设规则包括：工程尺度下目标边坡演化数值分析模型中颗粒直径确定规则和工程尺度下目标边坡演化数值分析模型中颗粒接触模型中的第二细观参数确定规则。

23、有益效果是：预设规则的设置包含了工程尺度下的颗粒直径和第二细观参数，保证参数确定的准确性。

24、进一步，所述s5中，所述颗粒直径确定规则包括以下步骤：

25、s5.1.1，基于s2中的离散元数值模型中填充的最小颗粒直径和颗粒粒径分布，计算最小颗粒直径dmin与离散元数值模型中最小几何要素g的比值r；

26、s5.1.2，检索计算s4所述工程尺度下目标边坡演化数值分析模型的等效顶点最邻近距离

27、s5.1.3，计算确定工程尺度下目标边坡演化数值分析模型中最小颗粒直径dmin，计算公式为：

28、

29、s5.1.4，基于s5.1.3中确定的最小颗粒直径dmin，按照与s2相同的颗粒粒径分布确定方法，确定目标边坡演化数值分析模型的颗粒粒径分布及最大颗粒直径dmax，并进行颗粒填充。

30、有益效果是：等效顶点最邻近距离与最小颗粒直径与离散元数值模型中最小几何要素g的比值r，在最大程度保证小尺度下标定好的颗粒接触模型细观参数有效性的前提下，合理定量确定工程尺度下的颗粒直径和颗粒粒径分布，从而保证数值模拟效果的有效性。

31、进一步，所述s5.1.1中，所述最小几何要素g按照下式确定：

32、

33、其中：z、h分别为圆柱体数值模拟模型的底面直径和高，e1,e2,e3分别为为长方体离散元数值模型中同一顶点相邻三条棱边的边长。

34、有益效果是：最小几何要素依据不同几何模型确定，提高准确性。

35、进一步，所述s5.1.2中，检索计算等效顶点最邻近距离的方法包括以下步骤：

36、s5.1.2a，读取目标边坡演化数值分析模型的全部顶点坐标

37、s5.1.2b，计算任意两个顶点坐标的空间距离g，公式为：

38、

39、s5.1.2c，基于所述s5.1.2b，得到(i2-i)/2个空间距离g构成的数据集合gs，遍历集合gs中的元素并按照从小到大进行排序，得到如下的从小到大排序的空间距离序列g1、g2、g3、...、gn，其中，n＝(i2-i)/2；

40、s5.1.2d，计算目标边坡演化数值分析模型的等效顶点最邻近距离计算公式为：

41、

42、式中，[]为向上取整运算符，k∈(1,2,...,n)。

43、有益效果是：通过引入等效顶点最邻近距离，从工程尺度下离散元数值分析模型顶点邻近距离大小和分布规律两个方面进行约束，消除不规则边角的影响，从而避免了极端几何形状下导致的工程尺度下数值模拟分析模型最小颗粒尺寸不合理的情况，进一步保证了数值模拟结果的准确性。

44、进一步，所述s5中，所述第二细观参数确定规则包括以下步骤：

45、s5.2.1，获取s3中离散元数值模型中颗粒接触模型中标定好的h个第一细观参数mph，其中，h＝1,2,3,...；

46、s5.2.2，依据s2中所述离散元数值模型按照最小几何要素g放大b倍的方式，将离散元数值模型及其填充颗粒同比例放大b倍，得到放大后的离散元数值模型mb，b取值为1、2、5、10、15、20，b＝1时，mb即为s2中所述离散元数值模型；

47、s5.2.3，按照s2中所述离散元数值模型的几何尺寸，从s5.2.2所述放大后的离散元数值模型mb中截取与离散元数值模型同样几何尺寸的离散元数值模型mmb；

48、s5.2.4，对任意一个s5.2.3所述的离散元数值模型mmb，重复步骤s2和s3，对其颗粒接触模型中的细观力学参数进行重新标定，得到任意一个离散元数值模型mmb，mmb中颗粒接触模型中标定好的h个细观参数为

49、s5.2.5，对h个细观参数中的任意一个细观参数以放大倍数b为自变量，其中，b＝1、2、5、10、15、20，以细观参数为因变量，基于最小二乘法对其进行拟合，得到自变量b和为因变量二细观参数的映射关系模型f；

50、s5.2.6，对h个细观参数，重复步骤s5.2.5，得到h个自变量b和为因变量的细观参数的映射关系模型fh，h＝1，2，3，…；

51、s5.2.7，基于s2中确定的离散元数值模型中填充的最小颗粒直径dmin和s5.1.3中确定的目标边坡演化数值分析模型中最小颗粒直径dmin，计算目标边坡演化数值分析模型相对于离散元数值模型的放大倍数b，计算公式为：

52、b＝dmin/100dmin；

53、s5.2.8，将s 5.2.7获取的放大倍数b作为自变量，带入s5.2.6所述的h个映射关系模型fh，求解得到h个目标边坡演化数值分析模型颗粒接触模型中所需的的h个细观参数meph。

54、有益效果是，通过构建h个自变量b和因变量的细观参数的映射关系模型，对工程尺度下数值分析模型细观力学参数进行校正，实现了数值模型标定好的细观力学参数从小尺度准确映射到大尺度的问题，从而进一步保证了数值分析结果的准确性。