无黏结材料颗粒流模型的宏细观参数关系研究-长江科学院院报.pdf

　 第２９卷第５期 长　江　科　学　院　院　报 Ｖｏｌ．２９　Ｎｏ．５　　 　　２０１２年 ５月 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＹａｎｇｔｚｅＲｉｖｅｒＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｍａｙ２０ １２　 　 　　文章编号：１００１－５４８５（２０１２）０５－００４５－０６ 无黏结材料颗粒流模型的宏细观参数关系研究 颜　敬，曾亚武，高　睿，杜　欣 （武汉大学 土木建筑工程学院，武汉　４３００７２） 摘要：基于颗粒流（ＰＦＣ２Ｄ／３Ｄ）模型的细观离散元方法是近些年来兴起的一种新的岩土数值计算方法，在岩土工程非 连续介质领域中发挥着重要作用，但由于该类模型宏细观参数关系的复杂性，使其在实际工程应用中受到限制。在 前人研究的基础上，以无黏结颗粒材料为例，采用４因素３水平正交试验方法设计了９类试样，并各自在３种侧压下 进行双轴试验，以探求细观参数不同组合对介质宏观特性的影响，从而避免了控制变量法固定某些参数的局限，更加 科学地分析了细观参量对宏观特性影响的敏感程度，并据此提出该类材料宏细观参数匹配的调整原则。最后利用人 工神经网络实现了该类材料宏细观参数之间的互演计算，以供ＰＦＣ模型在实际岩土工程计算时参考。 关　键　词：颗粒流模型；正交试验；宏细观参数关系；神经网络算法；互演计算 中图分类号：ＴＵ４５　　　文献标志码：Ａ 质的复杂力学行为，而无需事先确定材料的宏观本 构，模型介质的本构特征将由其内部颗粒之间状态 １　研究背景 特征的变化体现出来，颗粒间接触的破坏与发展意 离散单元法（如ＰＦＣ２Ｄ／３Ｄ，ＵＤＥＣ／３ＤＥＣ）是近 味着介质整体力学特性由线性向非线性转化。 些年来兴起的一种新的岩土工程数值计算方法。该 ＰＦＣ的这种理念导致其在很大程度上不同于其 方法一般按其用途，又可以分为细观离散元和宏观 他连续和非连续介质力学理论方法与程序，其中的 离散元。前者着重于处理数目众多、具有不连续特 一个关键问题就是：介质的宏观基本物理力学特征 征的接触面或点的问题，例如破碎岩体中的破裂面、 不能通过直接赋值的形式实现，只有颗粒的几何特 砂土中的接触面（点）、散体材料中粒子之间的接触 性和颗粒间接触的细观力学参数可以赋值，并且这 面（点）等；后者则主要解决规模相对较大的不连续 些参数大都无法测量，但介质的宏观力学特征又取 面，如断层、节理、结构与基础之间的结合面等引起 决于颗粒的这些基本特性，一旦改变了这些基本特 的一系列问题等［１－４］。ＰＦＣ（ＰａｒｔｉｃｌｅＦｌｏｗＣｏｄｅ）是 性，就意味着改变了介质的宏观力学性质。 在岩土界著名学者ＰｅｔｅｒＣｕｎｄａｌｌ院士主持下采用细 正是由于ＰＦＣ具有这些特点，在投入工程计算 观离散元理论（又称为粒子流或者颗粒流理论）开 之前，必须利用同样的粒子几何参数建立简单的室 发的一套商业数值计算软件，可以广泛地应用于研 内试样模型，并对这些试样分别赋予不同的细观力 究细观结构控制的问题，具有很大的发展潜力。 学参数进行一系列的数值试验，以获得试样的宏观 ＩＴＡＳＣＡ公司开发的ＰＦＣ系列软件，作为细观 力学参数，并将这些测试结果与实际工程相应的宏 离散元软件平台，具有２个最基本的特征［２－４］。 观参数值进行比较，选择对应的细观力学参数作为 （１）允许颗粒发生有限的位移和转动，颗粒之 实际模型计算用参数，即要进行一个复杂的细观力 间允许完全脱离； 学参数标定工作。这个过程与地质力学材料模型试 ２