一种基于PFC离散元的加筋尾矿细观力学参数计算方法

摘要

本发明涉及一种基于PFC离散元的加筋尾矿细观力学参数计算方法。具体步骤为：通过土工格栅与尾矿砂室内直剪试验得到宏观力学参数；利用PFC离散元软件，建立直剪试验数值模型，上覆荷载通过调整模型中伺服围压确定，在模型直剪试验开始前，将峰值剪切应力强度、密度、表观粘聚力、内摩擦角以及试验算得的摩擦系数等宏观力学参数代入到命令中；启动程序并运行完成后，可求得在模型剪切试验过程中细观力学参数法向刚度与切向刚度的数值。本发明的优点是，通过室内试验得到的宏观力学参数，可由数值模拟计算得到细观力学参数，改善了宏细观参数关联性计算方法，使计算效率更高且结果更加准确，可为加筋尾矿堆积坝的安全稳定性计算提供重要细观力学参数指标，清晰地在数值模拟中描述尾矿颗粒的接触状态，使数值模拟结果更接近实际工况。

说明书

技术领域

本发明属于矿山安全与灾害防治领域，具体涉及一种基于PFC离散元的加筋尾矿细观力学参数计算方法。

背景技术

尾矿砂属于散体材料，在做安全稳定性分析时，不能直观表达颗粒间接触状态。为了进一步对土工格栅加筋尾矿砂界面力学特性的研究，采用PFC离散元建立二维剪切试验模型来模拟室内直剪试验，同时对宏细观参数关联性进行分析。目前，大多数学者集中在黏结模型的细观参数(包括法向黏结刚度，切向黏结刚度，法向黏结强度，切向黏结强度等)与宏观力学参数(包括弹性模量，抗压强度，泊松比等)之间的关联性研究。而黏结模型主要用于模拟岩石和混凝土等高黏性材料，对低粘聚力的尾矿砂的线性接触模型及其相关性的研究很少。

在本章研究中，通过模拟实际直剪试验而建立模型虚拟剪切试验。重点研究了细观力学参数(包括法向刚度，切向刚度等)和宏观力学参数

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于PFC离散元的加筋尾矿细观力学参数计算方法，以弥补宏细观参数关联性分析中不能直接计算细观力学参数的缺点，通过室内试验得到的宏观力学参数，可由数值模拟计算得到细观力学参数，改善了宏细观参数关联性计算方法，使计算效率更高且结果更加准确。

本发明所述的一种基于PFC离散元的加筋尾矿细观力学参数计算方法，

具体步骤为：

步骤1：通过土工格栅与尾矿砂室内直剪试验得到宏观力学参数；

步骤2：利用PFC离散元软件，建立直剪试验数值模型，上覆荷载通过调整模型中伺服围压确定，在模型直剪试验开始前，将峰值剪切应力强度、密度、表观粘聚力、内摩擦角以及试验算得的摩擦系数等宏观力学参数代入到命令中；

步骤3：启动程序并运行完成后，可求得在模型剪切试验过程中细观力学参数。

步骤1中直剪试验设备为YT1200型土工合成材料直剪拉拔试验摩擦系统，宏观力学参数包括峰值剪切应力强度、密度、表观粘聚力、内摩擦角以及试验算得的摩擦系数等。

步骤2中利用PFC离散元软件，建立直剪试验数值模型，剪切试验模型由8个墙体单元和2个翼墙单元组成，内部尾矿砂与土工格栅均由球体单元生成。

步骤3中细观力学参数包括法向刚度与切向刚度的数值。

本发明的有益效果：通过室内试验得到的宏观力学参数，可由数值模拟计算得到细观力学参数，改善了宏细观参数关联性计算方法，使计算效率更高且结果更加准确，可为加筋尾矿等散体材料堆积坝的安全稳定性数值计算提供重要细观力学参数指标，更加清晰地在数值模拟中描述尾矿颗粒的接触状态，使数值模拟结果更接近实际工况。

本发明的其他特征和优点将在下面的具体实施方式中部分予以详细说明。

附图说明

图1为细观参数标定过程；

图2为直剪试验模型；

图3为数值试验与筛分试验级配曲线。

具体实施方式

下面结合实例及附图对本发明作进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。

通过室内直剪试验得到宏观力学参数，代入到模型直剪试验当中，依据宏观力学参数和细观力学参数间的联系确定细观力学参数，即为细观力学参数标定过程，利用PFC软件建立虚拟直剪试验并与室内直剪试验结果对比分析，细观参数标定过程如图1所示。

直剪试验模型采用PFC离散元软件中二维剪切试验模型，二维剪切试验模型由8个墙体单元和2个翼墙单元组成，内部尾矿砂与土工格栅均由球体单元生成，模型尺寸为30cm×30cm，试验模型如图2所示。

模型建立具体过程如下：

(1)生成矩形8个墙体及左右2个翼墙；

(2)在墙体围成的空间内按照设定好的密度、孔隙率和级配条件生成填料部分，并同时赋予线性接触模型，墙体的法向刚度值大于颗粒的法向刚度值，赋予填料部分以及墙体部分较小的切向刚度和摩擦系数值，经过循环消除重叠效应与减小各单元之间的不平衡力，设置较小的参数值有助于颗粒快速达到初始平衡状态；

(3)对填料单元通过赋予不同的参数值，以区分尾矿砂单元和土工格栅单元，对墙体施加伺服控制，使试验模型在设定的围压条件下达到初始状态；

(4)将位移清零，赋予室内试验得到的参数，取消左右墙体的伺服控制，施加剪切速度，开始进行直剪试验，为防止在剪切过程中颗粒溢出，左右翼墙随上剪切盒一起移动，待剪切峰值出现后停止试验。

尾矿砂是矿石经过层层筛选和精制处理后剩下的废料，90％的颗粒粒径均小于0.5mm，50％以上颗粒粒径均小于0.25mm，由于尾矿砂的粒径较小，使用时必须适当增大其粒径来建立数值测试模型。放大后，其粒径与模型尺寸之间的比例与原始粒径与实验室试验的尺寸之间的比例完全不同。

尽管球形粒子的形状与实际粒子的形状有所不同，并且存在一些缺点，但目前尚无法定量衡量。在这些条件下，模拟真实尾矿砂颗粒的形状似乎是不必要的。

通过室内筛分试验得出的C

调整后的d

宏观力学参数一般都是通过室内试验获得，在PFC离散元中，宏观力学参数和细观力学参数可以通过变形与强度建立关系。球体颗粒的半径设为R

尾矿砂材料参数选取参考齐大山选矿厂铁尾矿由玄武岩、混合岩、含铁石英岩及贫矿体等矿物组成，弹性模量范围取50GPa，泊松比取0.25，上覆荷载的大小调整模型中伺服围压的大小，在模型直剪试验开始前，将每个含水率条件下的峰值剪切应力强度、密度、表观粘聚力以及内摩擦角，将试验算得似摩擦系数等室内试验宏观力学参数代入到命令中，以保证模型剪切试验更贴近真实的室内试验环境，通过数值计算模型可求得在模型剪切试验过程中细观力学参数法向刚度与切向刚度的数值。