基于颗粒流的灰岩细观力学参数标定方法及其敏感性分析

发布时间：2020-09-21 20:32

　　 PFC颗粒流数值模拟方法已广泛应用于岩土工程的岩土体本构模型、地质灾害分析、基坑及地基处理等领域,然而由于数值模拟细观参数和岩土体宏观参数之间并没有明确的关系,且存在控制因素多、标定盲目性和结果不确定性等问题,导致数值模拟的效率低、准确性差。确定岩土体细观参数的标定方法是PFC数值模拟亟待解决的问题。本文基于离散元法,依据颗粒流理论,采用PFC数值模拟程序对齐岳山隧道工程现场的岩土类材料进行了成功标定;以标定结果为基础,通过控制变量法研究了颗粒流细观参数对材料宏观力学参数的影响规律,并对宏细观参数进行了归一化处理、单因素敏感性分析、因素方差分析和回归分析,提出了一种适用于颗粒流平行黏结模型的细观参数标定方法,研究结果表明:(1)通过细观参数优化和齐岳山隧道灰岩标定分析得出:弹性模量和泊松比随粒径的增大而逐渐减小,颗粒粒径越大,弹性模量随粒径的变化明显,而泊松比变化不大,趋于平缓;粒径大小对颗粒数的多少有着直接的关系,粒径越小时,颗粒数的数量变化越加明显,颗粒数随粒径的减少近似于倍数的增加;粒径越小,单轴压缩的破坏形态越为明显,其试样的破坏特征越接近于真实岩体的实际破坏现象。(2)基于数值模拟,采用控制变量法,其应力应变曲线和荷载位移曲线的斜率随着有效模量的增大而增大;随着刚度比的增大而减小,曲线的峰值整体呈现随刚度比的增大而减小的趋势;应力应变曲线和荷载位移曲线的峰值随着法向强度的增大而增大,且不同法向强度下的峰前曲线在图中呈重合的特征,峰后曲线近似相互平行;改变切向强度,应力应变曲线和荷载位移曲线与不同法向强度条件下的曲线相似,但峰后规律明显不同;切向强度越大,岩石破坏的脆性特征越明显。(3)基于数值模拟研究,有效模量对宏观物理参数的影响敏感性为:弹性模量抗拉强度抗压强度泊松比;法向/切向刚度比对宏观物理参数的影响敏感性为:泊松比抗拉强度弹性模量抗压强度;平行黏结法向强度对宏观物理参数的影响敏感性为:抗拉强度抗压强度弹性模量泊松比;平行黏结切向强度对宏观物理参数的影响敏感性为:抗压强度抗拉强度泊松比弹性模量;颗粒摩擦系数对宏观物理参数的影响敏感性为:抗拉强度泊松比抗压强度弹性模量。(4)弹性模量E与有效模量Ec呈正相关关系,与法向/切向刚度比kn/ks呈负相关关系;泊松比v与法向/切向刚度比kn/ks正相关关系;单轴抗压强度σc与有效模量Ec和法向/切向刚度比kn/ks呈负相关关系,与平行黏结法向强度σc和平行黏结切向强度τc呈正相关关系;抗拉强度σt与有效模量Ec和法向/切向刚度比kn/ks呈负相关关系,与平行黏结法向强度σc和平行黏结切向强度τc呈正相关关系;压拉刚度比σc/σt与有效模量Ec、法向/切向刚度比kn/ks和平行黏结切向强度τc呈正相关关系。(5)采用多因素方差分析方法,对宏观参数有显著性影响的细观参数进行排序,结果如下:弹性模量E,Eckn/ks;泊松比v,kn/ks;单轴抗压强度σc,σcτcEckn/ks;抗拉强度σt,σcτcEckn/ks;压拉强度比,Eckn/ksτc。(6)提出了一种适用于颗粒流平行黏结模型的细观参数标定方法,该方法通过归一化处理、单因素敏感性分析、多因素方差分析和回归分析,揭示了细观参数与宏观参数的影响规律,进一步明确了两者之间的非线性关系,提高了参数标定的效率和准确性;通过标定平南石灰石矿山采坑治水工程的岩样的细观参数,进行数值模拟和室内实验对比分析,验证了此标定方法的可靠性。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU45
【部分图文】：

技术路线图,技术路线

图１．１技术路线逡逑

迭代循环,接触力

图２．１邋ＰＦＣ循环计算图逡逑

模型图,黏结,模型

逡逑接触黏结模型的黏结只发生在接触点，只能传递力，如图２．３邋（ａ）所示；平逡逑行黏结模型的黏结发生在接触颗粒间圆形或方形有限范围内，能同时传递力和力逡逑矩，如图２．３邋（ｂ）所示。逡逑接厂度逦接触逦的剪切逦的黏结，刚度逡逑栜摡？逡逑颗粒逦平行黏结黏结刚度破碎逡逑图２．３颗粒流模型黏结类型示意图（ｃｈｏｅｔａｌ．，２００７）逡逑（１）接触黏结模型逡逑线性接触黏结模型如图２．４所示。无论黏结存在不存在，接触面处都不能抵逡逑抗相对旋转，如果黏结存在时，其力学行为为线弹性，直到接触力突破黏结强度逡逑极限后，黏结发生破坏成为非黏结接触面。逡逑ｂｏｎｄｅｄ逡逑ｔ：逡逑广￣Ｘ逦逦逡逑｜逦Ｘ逦＼邋ｕｎｂｏｎｄｅｄ邋（ｌｉｎｅａｒ邋ｍｏｄｅｌ）逡逑图２．４接触黏结模型逡逑接触黏结模型的本构关系如图２．５所示。接触黏结模型包括法向黏结强度逡逑和切向黏结强度Ｆｓ（ｅ）两个参数

【参考文献】