[发明专利]一种体现渗流对岩土体强度弱化的DEM接触模型构建方法

说明书

本发明提出了一种体现渗流对岩土体强度弱化的DEM接触模型构建方法,即选取致灾构造内的充填体，得到渗流作用下充填体累计流失量随时间的变化规律和充填体力学参数随充填体流失量的变化规律；开展试验模拟，确定各时间段内对应的各组细观力学参数和能够表征充填体宏观力学参数变化规律的DEM接触模型细观参数的关系函数；将各细观参数关系函数嵌入到现有颗粒接触模型中，开展试验模拟，根据模型破坏时宏细观强度的对应关系，更新接触模型的断裂破坏准则，从而实现充填体强度持续弱化过程的模拟；基于室内渗透破坏试验，建立渗透破坏离散元计算模型，采用得到的颗粒接触模型及其破裂准则，模拟岩土体的渗透破坏过程。

技术领域

本发明属于地下工程领域，尤其涉及一种在隧道突涌水过程中描述渗流对岩土体强度持续弱化作用的离散元颗粒接触模型构建方法。

背景技术

强富水、强构造、强岩溶和高地应力所造成的突涌水灾害是我国地形陡峭、峡谷深切、岩溶发育、地质构造极端复杂的西部山区隧道工程建设的主要威胁之一。其中，渗透破坏型突涌水具有流量大、突发性强、破坏性强等特点，灾害一旦发生，将导致重大的人员伤亡、经济损失与工期延误。由于突涌水动态演化过程极其复杂，国内外尚未形成一种行之有效的数值分析模型可实现渗透破坏突涌水灾变过程的准确描述。

目前，岩土工程领域常用的连续介质数值分析方法主要包括有限差分法、有限元法、边界元法，这几种方法都是基于连续介质的各向同性小变形假设，而岩土体是内部存在节理裂隙等大量不连续界面的各向异性体，因此难以用以上方法解决岩土工程的非连续问题。

与连续介质数值分析方法相比，离散元的基本思想就是把整个介质视为一系列离散的颗粒组成，以力-位移定律和牛顿第二运动定律为依据，对问题进行力学分析，在模拟岩土介质材料渗透破坏问题上具有无可比拟的优势。

然而，离散元方法的接触模型仅能体现某一条件下岩土体的基本力学特性，却难以反映灾害发生过程中其力学性能的演变规律。以隧道渗透破坏突涌水灾变演化过程为例，由于渗流对岩土体的侵蚀作用，导致其抗剪强度随着粘性土或细小颗粒的流失而呈现非线性减小的趋势，而现有的离散元颗粒接触模型中粘结强度均设置为固定值，并未考虑由于地下水渗流作用导致的粘结强度的非线性降低过程。因此，应用现有模型并不能真实的模拟渗透破坏演化过程中充填体强度弱化问题。

发明内容

针对现有离散元数值模拟方法难以实现岩土体内部强度弱化的模拟，本发明提出一种可以描述地下水渗流对岩土体强度持续弱化作用的离散元颗粒接触模型构建方法，为充填体渗透破坏演化过程的模拟提供合理、准确的计算模型。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种可以描述地下水渗流对岩土体强度持续弱化作用的离散元颗粒接触模型构建方法，包括以下步骤：

步骤1：选取断层、破碎带、强风化槽等致灾构造内的典型充填体，制备成岩土力学试验标准试样，开展恒定水压作用下的渗透破坏室内试验；得到渗流作用下充填体累计流失量随时间的变化规律；

步骤2：对步骤1中各时间段内流出的充填体进行筛分试验，测得流出的充填体的级配分级，进而得到剩余充填体的各级配比重，然后依据各时间段流失后充填体的级配重新配制试样，并分别进行三轴压缩与剪切力学实验，测得各个时间段内试样的抗剪强度τ、抗压强度σ、弹性模量E、粘聚力c和内摩擦角等力学参数，进而得到充填体力学参数随充填体流失量的变化规律。

步骤3：根据步骤1、2所测得的充填体流失量的变化规律以及各时间段内充填体宏观力学参数随充填介质流失量的变化规律，采用DEM软件开展单轴拉伸、三轴压缩与剪切力学试验模拟，基于各时间段内充填体的宏观力学参数，进行宏细观参数标定，最终确定各时间段内对应的各组细观力学参数。

对各个细观参数在每个时间段内的取值分别进行函数拟合，揭示充填体宏观力学参数与离散元接触模型细观参数之间的关系，进而得到能够表征充填体宏观力学参数变化规律的DEM接触模型细观参数的关系函数。