[发明专利]基于宏细观力学的岩土力学模型试验系统以及精细化试验方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种应用于基本建设工程的岩土工程试验研究方法，具体涉及一种基于宏细观力学的岩土力学模型试验系统以及相应的精细化试验方法。

背景技术：

目前对建筑工程、道路工程、码头工程、河海岸工程和近海工程的岩土力学的试验研究多采用模型试验方法、数值模拟方法、现场测试方法。

模型试验方法一般是指在实验室条件下，用缩小的(特殊情况下也有放大的)模型进行原型物理系统的现象研究，模型和原型之间要满足系统的相似性要求。模型试验方法可以测试宏观物理量，但是无法测试直观观测土样的细观结构。

数值模拟方法也称为计算机模拟，以计算机为手段，通过数值计算和图像显示方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的；数值模拟包括建立数学模型、高效高准确率的计算方法、编程和计算、数值图像显示的几个步骤。数值模拟方法可以进行连续体数值模拟，但是无法通过基于细观试验的细观数值模拟，得到接触面的细观力学参数，进行细观建模。

现场测试方法是在现场的原型工程建筑物的相关部位取样和埋设仪器，进行物理力学实验、工程材料试验、应力和变形观测等，对工程的施工阶段和运行阶段进行验证核查、施工质量监控，长期监测施工期间和运营期间建筑物和地基土的工作性状以检验设计方法、计算参数和计算结果是否符合实际，保证施工期和运营期的安全。现场测试方法可以进行现场原型的物理量观测，但是无法进行土样的细观结构观测测试，得到土样的细观力学参数，进行精细化试验。

随重大工程建设项目的日益增多，极端环境条件和工程灾变的影响研究重要性的提升，为此，需要研究一种适用于建筑工程、道路工程、桥梁工程、港口工程、河海岸工程和近海工程等基本建设工程的岩土工程试验方法。

发明内容：

针对上述常用岩土模型试验方法具有各自的特点，以及适用条件的局限性，常规的室内模型试验在细观观测和宏细观研究的问题难以解决，本发明提供一种适用于建筑工程、道路工程、桥梁工程、码头工程、河海岸工程和近海工程的岩土力学模型试验的模拟试验系统以及基于该系统实施的宏细观力学的精细化研究方法。该试验系统与试验方法具有场分析、细观图象观测与分析、连续-离散耦合数值模拟及其多技术融合的优点，能进行精细化研究，尤其适合于对重大工程的难点、关键技术问题的机理研究。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

基于宏细观力学的岩土力学模型试验系统，该系统包括模型试验箱、模型试验加载装置、荷载测量装置、基础模型、数码照相机、体视显微镜、计算机、新闻灯；所述模型试验箱内设置试验土样，所述基础模型紧贴于模型试验箱观测面的内侧；所述模型试验加载装置对模型试验箱内土样施加荷载，所述荷载测量装置测量模型试验箱内土样所承受的荷载；所述数码相机通过模型试验箱观测面拍摄土样变化过程的图像，并传至计算机；所述体视显微镜用于摄取土样细观结构的显微图像，并传至计算机；所述计算机用于数据采集、记录和分析；所述新闻灯用于数码照相机和体视显微镜拍摄时的照明。

所述计算机内设置有场分析系统和细观结构图像分析系统。

基于宏细观力学的岩土力学模型的精细化试验方法，该方法包括如下步骤：

(1)形成与原型之间满足系统相似性要求的岩土力学模型试验的模型，并布置试验系统；

(2)按设计要求设置模型箱内土样和基础模型；

(3)土工试验，试验测试模型箱内土样的物理力学参数；

(4)对土样施加第一级荷载，量测施加的荷载，量测试验测试装置中各传感器的测试数据，拍摄荷载增加过程中土样的变形场的变化过程；拍摄预先确定的观测点的土样细观结构的显微图像，观测数据采集完整；

(5)将步骤(4)拍摄的土样变形场的图像，经场分析系统的处理，可以将数码图像分析后输出土样的网格变形场图像、剪切应变场图像、主应变场图像、总位移场图像、X方向位移场图像、Y方向位移场图像；

(6)将步骤(4)拍摄的土样细观结构的显微图像，经细观结构图像分析系统处理，可以输出各自观测时间点的土样结构的细观参数，并分析土样细观结构的变化及规律。

(7)进行细观力学的颗粒流PFC数值模拟，基于PFC程序，进行岩土力学的细观数值模拟试验，得到颗粒流PFC数值模拟试验的土样结构图像；

(8)进行连续-离散耦合数值模拟，基于离散元与有限差分法的离散-连续耦合分析模型对土与结构物相互作用进行模拟试验，得到连续-离散耦合数值模拟试验的土样结构图像；