颗粒流PFC3D数值模拟中标定细观参数的方法——拟合直剪试验法

2016-11-12汤保新徐亮李琪

安徽建筑 2016年2期

关键词：细观试验室法向

汤保新，徐亮，李琪

（1.扬州大学，江苏扬州 225127；2.信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司华东分院，江苏无锡 214000）

颗粒流PFC3D数值模拟中标定细观参数的方法——拟合直剪试验法

汤保新1，徐亮2，李琪1

（1.扬州大学，江苏扬州 225127；2.信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司华东分院，江苏无锡 214000）

建立在传统的连续介质力学基础上的有限元法等数值计算方法在关于研究非连续介质的问题上难以直接用于计算和模拟材料具体的破坏形式和破坏的整个过程，而离散元法在这一方面显示出巨大的优势。但是，对于颗粒模型的细观参数——法向刚度与切向刚度等参数的取值问题成为创建精确的颗粒模型的一道障碍。文章利用颗粒流离散元软件PFC3D模拟试验室直剪试验，通过不断调整法向刚度与切向刚度的比值，即刚度比，拟合直剪试验的结果，最终达到标定颗粒流模型细观参数的目的。

离散元法；PFC3D；细观参数；刚度比

1 绪论

在运用颗粒流离散元软件 PFC3D进行数值模拟时，需要定义颗粒流模型的细观参数。对于非动力学问题的分析，需要定义的参数一般包括：颗粒流的摩擦系数、颗粒密度、法向刚度、切向刚度等其它参数。其中摩擦系数和颗粒密度可通过一般的资料查询即获取，或者通过简单的试验测定得到。而法向刚度与切向刚度是颗粒流的特有参数，一般不能直接简单地与材料一系列的宏观物理力学参数联系，这和连续介质的模型是有本质差别的。没有确定的刚度比，将使数值模拟的结果显得毫无依据。本文通过拟合直剪试验中不同法向应力σ作用下土体的τ-L曲线，并当两者的τ-L曲线所确定的土体不同正应力σ作用下的抗剪强度无限接近时，此颗粒模型的细观参数即可用以标定该种土体在其他颗粒模型中的一系列参数。

2 试验室直剪试验概述

直剪试验是测定土体抗剪强度的一种常用方法。原理主要根据库仑定律，土的内摩擦力与剪切面上的法向压力成正比。将试验用土制备成几个土样（本次试验为4个），分别在不同的法向压力下，沿固定的剪切面直接施加水平力进行剪切，在剪切过程中实时记录一定阶段的手轮圈数或剪切位移量L和其所对应的用以剪切土体的水平力的大小，换算后得到τ-L曲线，根据曲线得其剪坏时的剪应力，即抗剪强度fτ。

本次试验取4组土样，分别在100kPa、200kPa、300kPa和400kPa的法向应力作用下测定该土体的抗剪强度fτ 。另，本次试验所采用的土体为砂土，含水量w=15.67%，密度为1.57g/cm3。试验室直剪仪如图1所示。

图1 试验室直剪仪

3 PFC3D模拟

颗粒流模型中一般只包含颗粒（ball）与刚性墙体（wall）。墙体不能被赋予密度这一物理属性，即不服从牛顿第二定律，致使颗粒流模型中的墙体成为一个没有厚度、没有“从动”、且不产生变形的完全刚性的墙体。这种墙体可以用来限制颗粒的流动，也可以被定义在某一方向上产生给定的位移。

对于直剪试验的颗粒流模型，可仅建立直剪仪剪切盒与盒内的土样。通过定义，使剪切盒发生一定量的位移并使土样产生剪切破坏。建模的过程可描述为：使用wall命令（关键词为cylinder）首先创建2个底部接触并且完全吻合的圆柱面，2个圆柱贯通且形成一个大的圆柱，大圆柱的高和底半径同试验室的剪切盒，然后为大圆柱创建上下两个底面，再定义函数“assemble”并使用generate命令在剪切盒中随机生成足够量的颗粒；输入 solve，让颗粒在无其他外力作用的情况下自由调整各自的位置，最终达到“自平衡”状态。然后就可以定义剪切位移并实时记录剪应力。

通过调整颗粒半径、孔隙率及刚度比等相关参数，得到不同法向应力作用下的τ-L曲线对比图，如图2所示。

图2 不同法向应力作用下的τ-L拟合曲线

图中第一组S表示法向应力为100kPa时的试验数据，M则代表模拟数据。第二组为 200kPa，以此类推。从图中可以看出：第一组与第二组曲线吻合的非常好，几乎没有相差很大的值，第三组与第四组的拟合曲线相差稍大，但整体来看，数据的偏差可以接受，尤其根据模拟值与试验值所得到的对应的抗剪强度相对较接近（见表1与图3），所以可以采用拟合结果。若在模拟中有较高的精度要求，可继续调整模型的细观参数值，直至得到满意的拟合结果。

最终确定的该砂土颗粒流离散元模型的细观参数见表2。