[发明专利]一种岩土材料流滑灾变的计算模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种岩土材料流滑灾变的计算模拟方法，属于岩土计算力学、地质灾害防治和地质环境保护技术领域。

背景技术

近年来，在地震、降雨等自然因素和人类活动的综合作用下，地质灾害的发生频率越来越高，对人类生命财产造成的危害也越来越严重。这些地质灾害，如地震诱发的高速远程滑坡、土体液化后的侧向流动、泥石流、填埋体失稳流滑等，从本质上来说都属于岩土材料的大变形流动破坏问题。要揭示这些地质灾害发生及发展的动力学特征并提出相应的防治措施，就必须对岩土材料的复杂流动行为有充分的认识。

现有的计算方法都属于基于网格划分的固体力学计算方法，无法处理岩土材料失稳流滑所涉及的极大变形、高度非线性以及多相耦合等科学难题，无法实现岩土材料流滑灾变的全过程模拟。因此，迫切需求一种切实有效的计算方法来模拟岩土材料的流滑灾变过程，捕捉其流体动力学特征，为流滑灾害高风险地区的工程设计、工程建设和防灾减灾等提供有力的科学依据。

发明内容

本发明的目的是针对当前高速远程滑坡、液化土体流动、泥石流、垃圾堆填体失稳流滑等岩土材料流滑灾害频发的现状，以及现有计算方法无法模拟大变形流动破坏全过程的局限性，提出一种岩土材料流滑灾变的计算模拟方法，基于不可压缩流体本构和下负荷面剑桥本构模型，并结合固液完全耦合理论，建立考虑固液双相耦合的流滑灾变计算模型，实现对岩土材料大变形流动破坏全过程的模拟再现。

为了达到上述目的，本发明提出的岩土材料流滑灾变的计算模拟方法，具体步骤如下： 

(1)，粒子信息输入及初始化

首先确定问题域，并将问题域离散成间距相等的粒子，将所有粒子的坐标、速度和加速度等信息输入程序并初始化，然后输入计算问题域的标识、模型参数以及所有粒子的初始密度、外力等信息。

(2)，邻近粒子搜索

确定粒子的影响半径，采用Verlet neighbor list方法搜索所有影响范围内的所有邻近粒子。首先以一个粒子作为计算粒子，然后根据粒子编号按顺序确定周围粒子，并分别计算周围粒子与所述计算粒子之间的间距，并进行判断，若粒子间距小于光滑长度，则确定为邻近粒子，记录计算列表，参与密度、应力应变等物理量的计算。如此循环往复，直至确定所有的邻近粒子。粒子搜索流程如图2所示。

(3)，计算核函数及其微分形式

选用三次B样条函数作为核函数，以2倍粒子间距为光滑长度，根据粒子编号，按顺序计算所有粒子对应的核函数以及核函数的微分形式。核函数表达式如下，其中R为粒子间距，h为光滑长度，α=15/7πh²。

                   (1)

(4)，密度计算

采用正则化的密度求和法，将支持域内所有邻近粒子的密度进行加权平均计算粒子密度。在质量守恒定律的基础上推导连续性方程，并通过光滑近似和粒子近似离散偏微分方程，从而有效提高不同材料不连续交界面处的精度。

                     (2)

其中，ρ为密度，t为时间，m为质量，v为速度，x为粒子的坐标位置，i、j分表代表参考粒子和邻近粒子。

(5)，应变速率张量计算

首先计算参考粒子与邻近粒子之间的相对速度，然后利用公式（3）计算岩土材料在该粒子处的剪应变张量，完成岩土材料应变与内部粒子运动间的转换。

                   (3)

其中，D为剪应变张量，u为速度张量，x为粒子的坐标位置，i、j分表代表参考粒子和邻近粒子。

(6)，应力计算

对岩土材料的固液两相采用不同的模型，完成应力与应变之间的转换。对于液相，通过状态方程实现液体密度与压力之间的转化，然后采用不可压缩流体模型计算应力。对于固相，本发明采用下负荷面剑桥模型来描述其应力应变关系：首先确定屈服函数来判别是否产生塑性应变，再通过塑性势函数确定塑性应变的方向，最后通过协调方程确定塑性应变的大小。具体的计算公式如下： 

   状态方程：                               (4)

不可压缩流体本构：                     (5)