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多目标颗粒堆叠的岩土材料细观建模方法及应用

杜立兵  
【摘要】:大量岩土材料的CT成像、偏光显微镜成像和电子显微成像表明,岩土体内不规则的颗粒形态、多样的颗粒矿物组分、繁杂的颗粒统计信息(粒径、倾角、长短轴比等),以及复杂的颗粒空间分布特征,共同组成了绚丽莫测的岩土体细观结构。因而需要建立同时满足目标颗粒形态、颗粒组成、颗粒统计信息,以及颗粒空间分布的多目标颗粒堆叠,并以此建立可计算的岩土体精细化数值模型。为解决以上问题,本文将岩土体划分为岩石、颗粒堆积体、混合体三类,分别研究了岩石、颗粒堆积体、混合体的细观建模方法。首先提出了多目标的椭圆堆叠,并基于多目标椭圆堆叠建立了岩石的椭圆等效晶质模型;其次提出了多目标的复杂形态堆叠,建立了颗粒堆积体的细观结构模型;然后研究了混合体的细观建模方法,提出了精细化数值模型生成方法DISTBLOCK,生成了可计算的精细化岩土体细观数值模型;最后结合土石混合体的循环动三轴试验和不同岩土体的室内试验数值模拟对研究成果的适用性进行了验证。主要研究内容和成果如下:(1)采用数字图形处理技术获取了块石的二维形态。对块石形态进行定量表征,建立了天然块石的标准形态库。通过块石形态的傅立叶级数、椭圆傅立叶级数拟合,生成了形态库的块石形态矩阵,采用形态矩阵的PCA主成分分析,提出了满足目标形态、目标粒径、目标倾角的通用块石形态随机生成方法。(2)基于椭圆的四段圆弧等效和线性坐标变换,提出了椭圆的快速重叠判定算法和快速相切位置计算方法。采用波前堆叠法实现了满足目标粒径、倾角、长短轴比的多目标椭圆高速堆叠,椭圆堆叠速率1400个/s~1700个/s。并通过优化堆叠边界和堆叠倾角,实现了高体积率的椭圆堆叠。基于建立的椭圆堆叠,在堆叠区域内生成了包裹椭圆的椭圆等效晶质模型。椭圆等效晶质模型具有与椭圆堆叠相同的粒径、倾角、长短轴比。采用UDEC进行了不同细观结构的花岗岩单轴压缩试验模拟,分析了矿物倾角和长短轴比对花岗岩单轴抗压强度的影响。(3)基于闵科夫斯基和,提出了复杂形态的重叠判定和相切位置计算方法,采用波前法实现了满足目标粒径、倾角、长短轴比的复杂块石堆叠。4边形块石,堆叠速率1100个/s,40边形复杂块石,堆叠速率约为200个/s。并通过调整堆叠边界和堆叠倾角实现了目标体积率,通过距离函数实现了目标空间分布。最终建立了满足目标粒径、倾角、长短轴比、体积率、空间分布的多目标复杂块石堆叠模型。采用UDEC进行了不同细观结构的堆石料直剪试验、三轴试验模拟,分析了块石粒径、倾角、长短轴比,空间分布对堆石料强度的影响。(4)基于生成的多目标颗粒堆叠,结合块石随机生成和裂隙网络随机生成,建立了混合体细观结构模型(例如土石混合体、包含裂隙网络的异质体、包含孔隙的鲕粒灰岩)。对建立的混合体细观结构模型,采用提出的精细数值生成方法DISTBLOCK,生成了精细化的有限元和离散元模型。采用UDEC进行了包含孔隙的鲕粒灰岩单轴抗压试验模拟。(5)提出了任意形态人工石的制备作法,批量制作了形态为5mm正方体、5mm球体、5mm复杂形态,以及3mm正方体的人工石。制备了不同块石形态、不同含石量的土石混合体三轴试样,进行了土石混合体循环动三轴试验。试验结果表明,同等含石量下块石数量和块石总表面积越大,门槛动应比越大;同等含石量、同等粒径下,含5mm球体的土石混合体动刚度最小和累积应变最大,含5mm正方体体的土石混合体动刚度最大和累积应变最小。(6)基质土采用小应变塑性硬化模型,块石采用弹性模型,采用FLAC3d模拟了土石混合体循环动三轴试验中的累计动变形。模拟结果与试验结果的对比验证表明,模拟结果可以反映基质土的累计变形特性,反映不同块石形态对累积变形的影响,也验证了本文细观建模方法的广泛适应性。


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