本發(fā)明涉及一種適用于土石混合體邊坡穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬方法，屬于土石混合體邊坡穩(wěn)定性分析。

背景技術(shù)：

1、土石混合體由具有一定工程尺度、高強度的塊石以及細粒土體及孔隙構(gòu)成。土石混合體邊坡由于其坡體材料所表現(xiàn)出的獨特物理力學性質(zhì)，采用傳統(tǒng)的方法難以對土石混合體邊坡穩(wěn)定性進行評價及破壞形式進行描述。因此，深入分析變形條件下土-巖相互作用特征，揭示土石混合體邊坡失穩(wěn)機制，對準確、高效地預測土石混合體邊坡滑坡及其破壞后行為具有十分重要的工程實際意義。

2、目前為止，有關(guān)土石混合體的研究進展較大，研究的手段主要是室內(nèi)外試驗及數(shù)值模擬。在室內(nèi)外試驗方面，大量實驗已經(jīng)揭示了自然界中廣泛存在的土石混合體的宏觀力學性質(zhì)和細觀破壞機理，并分析了土石混合體邊坡的穩(wěn)定性。然而通過大型試驗研究土石混合體成本高昂、耗時，且由于試驗誤差、結(jié)果隨機性強等研究難點和限制，難以全面揭示土石混合體的變形和破壞機制。在數(shù)值模擬方面，研究學者采用不同的數(shù)值方法，從多方面探究了土石混合體的力學行為。有限元法和有限差分法研究主要集中在邊坡失穩(wěn)的小變形階段，因為大變形階段的網(wǎng)格畸變可能導致數(shù)值解不精確甚至中斷；另一方面，離散元法由于計算量大，難以進行大規(guī)模的計算和分析。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了更全面的開展土石混合體邊坡數(shù)值試驗，本發(fā)明提出了一種適用于土石混合體邊坡穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬方法，即采用光滑粒子流體動力學方法(smoothedparticlehydrodynamics，sph)研究土石混合體邊坡穩(wěn)定性，基于無網(wǎng)格粒子法，采用montecarlo隨機采樣原理隨機生成任意形狀的巖石，提出一種點包容測試算法的粒子生成器，通過解析土石混合體邊坡幾何模型，將模型轉(zhuǎn)換為攜帶物理量的粒子，構(gòu)建土石混合體邊坡sph數(shù)值模型；采用sph方法對土石混合體邊坡sph數(shù)值模型進行穩(wěn)定性分析，生成邊坡累計塑性應變云圖、邊坡監(jiān)測點的速度、位移分析報告。本發(fā)明方法不僅提高了建模和數(shù)值模擬分析的精度，而且對準確、高效地預測土石混合體邊坡滑坡及其破壞后行為具有十分重要的工程實際意義。

2、一種適用于土石混合體邊坡穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬方法，具體步驟如下：

3、s1.根據(jù)土石混合體邊坡幾何參數(shù)以及土石混合體內(nèi)部的巖石含量和巖石粒徑級配曲線，在matlab軟件中采用montecarlo隨機采樣原理生成與巖石粒徑匹配的任意形狀的巖石塊；

4、s2.采用拉丁超立方抽樣法進行分層抽樣，根據(jù)巖石的實際級配比，將整個粒徑分布累積概率曲線分解成不同粒徑區(qū)間，其中每個粒徑區(qū)間的概率對應二維條件下不同粒徑巖石的面積百分比；

5、s3.將生成的巖石塊按照每個粒徑區(qū)間均勻分布隨機投放至土石混合體邊坡的模型區(qū)域內(nèi)部；

6、s4.所有生成的巖石塊投放完畢，生成土石混合體邊坡模型，并對每個巖石坐標點進行逆時針排序儲存；

7、s5.采用點包容測試算法解析土石混合體邊坡模型，將模型轉(zhuǎn)換為攜帶物理量的材料粒子，構(gòu)建土石混合體邊坡sph數(shù)值模型；所述攜帶物理量包括位置、速度、質(zhì)量和壓力；

8、s6.根據(jù)土石混合體材料參數(shù)，采用sph方法對土石混合體邊坡sph數(shù)值模型進行穩(wěn)定性分析，生成邊坡累計塑性應變云圖、邊坡監(jiān)測點的速度、位移分析報告。

9、所述s1.巖石塊的邊長或直徑為：

10、；

11、其中表示巖石塊的邊長或直徑，表示邊坡的坡高。

12、所述s3.巖石塊投放的具體過程：根據(jù)巖石粒徑從大到小依次在土石混合體邊坡的模型區(qū)域內(nèi)部投放巖石塊；巖石塊與投放的土石混合體邊坡的模型區(qū)域邊界不重疊，相鄰巖石塊之間不互相干涉；土石混合體邊坡的模型區(qū)域內(nèi)投放的巖石塊滿足巖石級配的總面積。

13、所述s5.采用點包容測試算法解析土石混合體邊坡模型，將模型轉(zhuǎn)換為攜帶物理量的材料粒子，構(gòu)建土石混合體邊坡sph數(shù)值模型，具體包括：

14、s51.設置初始粒子間距；

15、s52.解析土石混合體邊坡模型；

16、s53.定義覆蓋模型所需的初始粒子間距的笛卡爾節(jié)點網(wǎng)格，然后僅在繪制模型所需的節(jié)點處創(chuàng)建粒子；

17、s54.生成預處理的初始粒子分布后，將土石混合體邊坡的幾何模型轉(zhuǎn)換成攜帶物理量的材料粒子，建立土石混合體邊坡的sph數(shù)值模型。

18、所述s6.采用sph方法對土石混合體邊坡sph數(shù)值模型進行穩(wěn)定性分析，具體包括：

19、采用drucker-prager模型研究土石混合體邊坡剪切帶演化，drucker-prager模型的最終形式為：

20、；

21、；

22、；

23、；

24、式中，、、表示笛卡爾分量x、y和z；為全應力張量；為xz方向上的應力分量；為yx方向上的旋轉(zhuǎn)率張量；為zy方向上的應力分量；為xz方向上的旋轉(zhuǎn)率張量；k、g分別表示彈性體積模量和剪切模量；為偏剪切應變率張量；為三個法向應變率分量之和；是狄拉克函數(shù)；為塑性應變算子；為膨脹因子；為偏應力張量；為總應變率張量；為屈服函數(shù)；為應力張量的第一不變量；為偏應力張量的第二不變量；、為drucker-prager常數(shù)。

25、本發(fā)明的有益效果是：

26、（1）本發(fā)明采用montecarlo隨機采樣原理隨機生成任意形狀的巖石，根據(jù)土石混合體結(jié)構(gòu)組成在宏觀層次上的統(tǒng)計規(guī)律性，建立其相應的結(jié)構(gòu)模型，更適合于開展機理性研究；

27、（2）本發(fā)明提出點包容測試算法的粒子生成器，本粒子生成方法易于實現(xiàn)，生成的粒子配置各向同性且具有最佳插值性質(zhì)；

28、（3）本發(fā)明基于無網(wǎng)格粒子法，不僅提高了建模和數(shù)值模擬分析的精度，而且對準確、高效地預測土石混合體邊坡滑坡及其破壞后行為具有十分重要的工程實際意義。

技術(shù)特征：

1.一種適用于土石混合體邊坡穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬方法，其特征在于，具體步驟如下：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述適用于土石混合體邊坡穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬方法，其特征在于：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述適用于土石混合體邊坡穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬方法，其特征在于：s3.巖石塊投放的具體過程：根據(jù)巖石粒徑從大到小依次在土石混合體邊坡的模型區(qū)域內(nèi)部投放巖石塊；巖石塊與投放的土石混合體邊坡的模型區(qū)域邊界不重疊，相鄰巖石塊之間不互相干涉；土石混合體邊坡的模型區(qū)域內(nèi)投放的巖石塊滿足巖石級配的總面積。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述適用于土石混合體邊坡穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬方法，其特征在于：s5.采用點包容測試算法解析土石混合體邊坡模型，將模型轉(zhuǎn)換為攜帶物理量的材料粒子，構(gòu)建土石混合體邊坡sph數(shù)值模型，具體包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述適用于土石混合體邊坡穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬方法，其特征在于：s6.采用sph方法對土石混合體邊坡sph數(shù)值模型進行穩(wěn)定性分析，具體包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種適用于土石混合體邊坡穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬方法，屬于土石混合體邊坡穩(wěn)定性分析技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明基于無網(wǎng)格粒子法，采用MonteCarlo隨機采樣原理隨機生成任意形狀的巖石，提出一種點包容測試算法的粒子生成器，通過解析土石混合體邊坡幾何模型，將模型轉(zhuǎn)換為攜帶物理量的粒子，構(gòu)建土石混合體邊坡SPH數(shù)值模型；采用SPH方法對土石混合體邊坡SPH數(shù)值模型進行穩(wěn)定性分析，生成邊坡累計塑性應變云圖、邊坡監(jiān)測點的速度、位移分析報告。本發(fā)明方法不僅提高了建模和數(shù)值模擬分析的精度，而且對準確、高效地預測土石混合體邊坡滑坡及其破壞后行為具有十分重要的工程實際意義。

技術(shù)研發(fā)人員：張小強,鐘港,吳豪洋,詹志豪,余飛洋
受保護的技術(shù)使用者：昆明理工大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23