【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于围岩的力学分析领域，涉及一种围岩相似材料细观模拟方法，尤其涉及一种考虑颗粒密度与半径的围岩相似材料细观模拟方法。
技术介绍
1、在隧道工程、地质工程和矿山开采等领域，围岩的稳定性对工程安全至关重要。模型试验是研究围岩稳定性，探究围岩在荷载下的力学行为的重要手段。其中，围岩相似材料力学行为的准确模拟对于预测和评估工程围岩的稳定性具有重要意义。对围岩相似材料力学行为的传统测定方法为物理试验法，包括单轴抗压实验、直接剪切试验等，但传统的物理试验方法存在成本高、效率低、试验时间周期长、难以模拟复杂地质环境等问题。
2、与传统的物理试验方法相比，数值模拟方法具有更低的成本和更短的时间周期，可以大幅度提高研究和设计的效率，现已成为研究围岩相似材料力学行为的重要手段。离散元方法(dem)是一种能够模拟材料内部颗粒间相互作用的数值技术，能够模拟出材料破坏过程中的微观机制，如裂纹的萌生、扩展和贯通，这些现象在宏观试验中往往难以观察。pfc2d软件作为离散元模拟工具，因其能够精细模拟模型内部颗粒介质的力学行为，被广泛地应用于围岩相似材料的模拟研究中。
3、然而，现有的pfc2d模拟方法在模拟围岩相似材料时仍存在一些问题，如大多仅采用一种或两种颗粒，导致模拟材料破坏过程与实际差距较大；现有数值模拟方法大多不考虑颗粒的大小与密度，使得模型不够精细，不能精准反映材料的力学行为。
技术实现思路
1、为了解决
技术介绍
中存在的上述技术问题，本专利技术提供了一种能够合理地再现围
2、为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种围岩相似材料细观模拟方法，其特征在于：所述围岩相似材料细观模拟方法包括以下步骤：
4、1)制作不同配比下围岩相似材料；
5、2)将步骤1)制备得到的不同配比下围岩相似材料分别进行物理实验，得到不同配比下围岩相似材料的物理性质，记录不同配比下围岩相似材料的物理参数；
6、3)确定颗粒间的接触模型；
7、4)基于步骤2)得到的不同配比下围岩相似材料的物理参数以及步骤3)确定的接触模型，构建不同配比下围岩相似材料的数值模型；
8、5)对步骤4)得到的不同配比下围岩相似材料的数值模型进行宏观破坏，得到围岩相似材料的力学行为和破坏机制，完成对围岩相似材料细观模拟。
9、优选地，本专利技术所采用的步骤1)的具体实现方式是：
10、1.1)确定围岩相似材料的目标参数；
11、1.2)基于步骤1.1)得到的目标参数制作不同配比下围岩相似材料。
12、优选地，本专利技术所采用的步骤1.1)具体是：根据gb/t50218-2014《工程岩体分级标准》设定围岩材料的力学参数，根据相似比与几何相似比的基本理论，确定围岩相似材料的目标参数。
13、优选地，本专利技术所采用的步骤1.2)中所述围岩相似材料包括细骨料、粗骨料、胶结剂以及调节剂；所述细骨料包括重晶石以及粉煤灰；所述粗骨料是河砂，所述河砂的粒径是不大于2mm；所述胶结剂是松香在酒精中的饱和溶液；所述酒精是体积分数为95％的工业酒精；所述调节剂是全合成机油、半合成机油或矿物机油。
14、优选地，本专利技术所采用的步骤2)中的物理实验包括单轴压缩试验以及直接剪切试验，所述物理参数包括重度γ、单轴抗压强度σ、弹性模量e、黏聚力c以及内摩擦角
15、优选地，本专利技术所采用的步骤3)中颗粒间的接触模型是线性平行粘结模型。
16、优选地，本专利技术所采用的步骤4)的具体实现方式是：
17、4.1)确定用于标定的细观参数；
18、4.2)基于步骤2)所进行的直接剪切试验的剪切面进行扫描电镜试验，确定材料内部颗粒的半径与分布情况；测量每种材料的质量与体积并计算得到每种材料的密度；计算不同材料的体积分数；根据不同颗粒的体积与颗粒半径，得到不同配方中不同颗粒的数量占比；根据不同颗粒的颗粒数量占比，在离散元软件pfc2d中内部随机生成颗粒；
19、4.3)在步骤4.2)的基础上，根据步骤2)在单轴压缩试验测得的单轴抗压强度和弹性模量进行单轴压缩试验，采用步骤4.1)得到的用于标定的细观参数对不同试样对应的颗粒接触模量和颗粒黏结强度进行细观参数的标定，完成单轴压缩试验的建模，得到不同配比下围岩相似材料的数值模型。
20、优选地，本专利技术所采用的步骤4.1)的具体实现方式是：分析离散元软件pfc2d中不同细观参数对宏观单轴抗压强度与弹性模量的影响程度，设计正交试验，通过极差分析方法分析细观参数，得到不同细观参数对宏观单轴抗压强度与弹性模量的影响程度，根据该影响程度调整物理实验所对应模型的细观参数，直至模型的单轴抗压强度和弹性模量与物理实验的结果相吻合，最终得到用于标定的细观参数。
21、优选地，本专利技术所采用的步骤4.3)中标定的具体方式是：
22、a)通过颗粒接触模量ec初步确定数值模型的弹性模量，直至与实际材料的弹性模量e相吻合；
23、b)通过颗粒黏结强度σc确定模型的单轴抗压强度σs，直至与单轴压缩试验得到的单轴抗压强度σ相吻合；
24、c)通过颗粒接触刚度比kn/ks最终确定数值模型的弹性模量es；所述颗粒接触刚度比kn/ks的值是0.9-1.1；其中，kn以及ks分别是颗粒的法向接触刚度以及切向接触刚度。
25、本专利技术的优点是：
26、本专利技术提供了一种围岩相似材料细观模拟方法，包括：1)制作不同配比下围岩相似材料；2)将步骤1)制备得到的不同配比下围岩相似材料分别进行物理实验，得到不同配比下围岩相似材料的物理性质，记录不同配比下围岩相似材料的物理参数；3)确定颗粒间的接触模型；4)基于步骤2)得到的不同配比下围岩相似材料的物理参数以及步骤3)确定的接触模型，构建不同配比下围岩相似材料的数值模型；5)对步骤4)得到的不同配比下围岩相似材料的数值模型进行宏观破坏，得到围岩相似材料的力学行为和破坏机制，完成对围岩相似材料细观模拟。与现有围岩相似材料离散元数值模拟方法相比，本专利技术充分考虑了围岩相似材料细观结构的复杂性，采用多种颗粒还原试验情况，考虑了颗粒密度与半径，该方法可以表征相似材料的不同组成成分如重晶石、粉煤灰、河砂和松香颗粒；探究了材料单轴抗压强度和弹性模量与颗粒半径、黏结强度、接触模量等细观参数之间的关系；本专利技术通过电镜扫描，明确了不同颗粒的半径及材料内部的分布情况，使得数值模拟更加贴合实际。本专利技术能够从微观角度模拟颗粒或块体的运动和相互作用，揭示材料破坏和变形的微观机制，可以快速评估不同材料配比对围岩相似材料性能的影响，而指导试验设计和材料选择，提高研究效率。
27、本专利技术公开的围岩相似材料细观模拟方法，包括基于颗粒流程序(pfc2d)中的平行黏结模型，分析不同细本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种围岩相似材料细观模拟方法，其特征在于：所述围岩相似材料细观模拟方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的围岩相似材料细观模拟方法，其特征在于：所述步骤1)的具体实现方式是：
3.根据权利要求2所述的围岩相似材料细观模拟方法，其特征在于：所述步骤1.1)具体是：根据GB/T50218-2014《工程岩体分级标准》设定围岩材料的力学参数，根据相似比与几何相似比的基本理论，确定围岩相似材料的目标参数。
4.根据权利要求3所述的围岩相似材料细观模拟方法，其特征在于：所述步骤1.2)中所述围岩相似材料包括细骨料、粗骨料、胶结剂以及调节剂；所述细骨料包括重晶石以及粉煤灰；所述粗骨料是河砂，所述河砂的粒径是不大于2mm；所述胶结剂是松香在酒精中的饱和溶液；所述酒精是体积分数为95％的工业酒精；所述调节剂是全合成机油、半合成机油或矿物机油。
5.根据权利要求4所述的围岩相似材料细观模拟方法，其特征在于：所述步骤2)中的物理实验包括单轴压缩试验以及直接剪切试验，所述物理参数包括重度γ、单轴抗压强度σ、弹性模量E、黏聚力c以及内摩擦角φ。p>
6.根据权利要求5所述的围岩相似材料细观模拟方法，其特征在于：所述步骤3)中颗粒间的接触模型是线性平行粘结模型。
7.根据权利要求6所述的围岩相似材料细观模拟方法，其特征在于：所述步骤4)的具体实现方式是：
8.根据权利要求7所述的围岩相似材料细观模拟方法，其特征在于：所述步骤4.1)的具体实现方式是：分析离散元软件PFC2D中不同细观参数对宏观单轴抗压强度与弹性模量的影响程度，设计正交试验，通过极差分析方法分析细观参数，得到不同细观参数对宏观单轴抗压强度与弹性模量的影响程度，根据该影响程度调整物理实验所对应模型的细观参数，直至模型的单轴抗压强度和弹性模量与物理实验的结果相吻合，最终得到用于标定的细观参数。
9.根据权利要求8所述的围岩相似材料细观模拟方法，其特征在于：所述步骤4.3)中标定的具体方式是：
...【技术特征摘要】
1.一种围岩相似材料细观模拟方法，其特征在于：所述围岩相似材料细观模拟方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的围岩相似材料细观模拟方法，其特征在于：所述步骤1)的具体实现方式是：
3.根据权利要求2所述的围岩相似材料细观模拟方法，其特征在于：所述步骤1.1)具体是：根据gb/t50218-2014《工程岩体分级标准》设定围岩材料的力学参数，根据相似比与几何相似比的基本理论，确定围岩相似材料的目标参数。
4.根据权利要求3所述的围岩相似材料细观模拟方法，其特征在于：所述步骤1.2)中所述围岩相似材料包括细骨料、粗骨料、胶结剂以及调节剂；所述细骨料包括重晶石以及粉煤灰；所述粗骨料是河砂，所述河砂的粒径是不大于2mm；所述胶结剂是松香在酒精中的饱和溶液；所述酒精是体积分数为95％的工业酒精；所述调节剂是全合成机油、半合成机油或矿物机油。
5.根据权利要求4所述的围岩相似材料细观模拟方法，其特征在于：所述步骤2)中的物理实...
【专利技术属性】
技术研发人员：谢明星，李宏，高源，卓鸿铭，崔岚，崔臻，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：
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