一种饱和砂土液化大变形的模拟方法及系统

本技术涉及饱和砂土液化模型的领域，尤其是涉及一种饱和砂土液化大变形的模拟方法及系统。

背景技术：

1、饱和砂土在地震作用下发生液化是土力学和地震工程领域的一个重要问题，它可能导致地基承载力的急剧下降，引发地面沉降、裂缝、滑坡和地下结构的上浮等问题，对建筑物和基础设施的安全构成严重威胁。

2、在涉及饱和砂土液化大变形地层的地下结构设计可行性及安全稳定问题的分析中，大多数工况研究中总是将结构周围地层假定成连续介质进行分析。这既不符合饱和砂土作为离散介质的本质，也相对低估了饱和砂土的大变形能力。若基于此类研究所得的设计方法，将会对地下结构的安全带来了极大的隐患。

3、目前，针对此类地下工程的岩土体建模中，基于离散元的研究手段被广泛应用，离散元方法强调了土颗粒与土颗粒之间的相互作用问题，解决了岩土体发生大变形的问题，对工程设计起到了积极意义。

4、现有技术中存在以下问题，基于离散元方法的数值研究，只能局限在小尺度模型，对于实际工程的数值求解，计算量往往过大，难以获取真实有效的结果，尚有改进的空间。

技术实现思路

1、为了改善离散元方法的数值研究，只能局限在小尺度模型，难以获取真实有效的结果的问题，本技术提供一种饱和砂土液化大变形的模拟方法及系统。

2、第一方面，本技术提供一种饱和砂土液化大变形的模拟方法，采用如下的技术方案：

3、一种饱和砂土液化大变形的模拟方法，包括：

4、建立饱和砂土地基-地下结构系统模型，并分析得到影响范围和影响范围边界处模型中所有实体单元的应力场时程曲线、位移场时程曲线及孔隙水压力时程曲线，所述影响范围为地下结构对饱和砂土的影响范围；

5、基于影响范围建立fdm-dem-cfd耦合模型，所述fdm-dem-cfd耦合模型中的饱和砂土采用预设的dem模型建立，所述fdm-dem-cfd耦合模型中的地下结构采用预设的fdm模型建立，所述fdm-dem-cfd耦合模型中的流体模型利用基于预设的cfd模型建立的geometry流动网格系统进行表征；

6、对所述fdm-dem-cfd耦合模型进行初始静力分析，建立初始平衡条件；

7、于初始平衡条件下的fdm-dem-cfd耦合模型中输入影响范围处的应力场时程、位移场时程及孔隙水压力时程，并进行流固耦合地震反应分析，以实现饱和砂土地基-地下结构系统液化大变形的模拟。

8、通过采用上述技术方案，通过采用fem方法进行整体固体应力场、位移场、渗流场分析，采用fdm-dem-cfd模型进行局部固体应力场、位移场、渗流场分析，fem模拟的整体应力状态可以作为边界条件输入到局部fdm-dem-cfd模拟中，而局部液化或变形的结果又可以反馈给fem模型，以修正整体结构的响应，通过整体与局部的信息换算，实现大尺度流固耦合分析，进而实现局部地层地震作用下的液化大变形模拟分析。

9、可选的，建立饱和砂土地基-地下结构系统模型的方法包括：

10、确定本构模型和模型参数；

11、基于本构模型和模型参数建立饱和砂土地基-地下结构系统模型，所述饱和砂土地基-地下结构系统模型由多个赋予本构模型和模型参数的实体单元组成，所述实体单元由网格划分而成。

12、可选的，确定本构模型和模型参数的方法包括：

13、获取土体样品并测量现场土体基本力学参数；

14、基于现场土体基本力学参数计算本构模型的基本参数；

15、基于土体样品进行循环直接剪切试验，以获得试验循环阻力比crr与循环次数n曲线；

16、基于基本参数建立数值模型，并对数值模型赋予模型边界条件；

17、基于试验循环阻力比crr与循环次数n曲线和数值模型得到修正模型参数；

18、基于修正模型参数对数值模型进行修正以得到本构模型；

19、将修正模型参数作为模型参数和本构模型进行输出。

20、通过采用上述技术方案，通过现场的土体样品来修正本构模型以及对应的参数，使得整个试验和当地的现场情况相同，数据更加真实，提高了本构模型建立的精确性和真实性。

21、可选的，基于试验循环阻力比crr与循环次数n曲线和数值模型得到修正模型参数的方法包括：

22、基于预设的fem方法对数值模型进行模拟，以得到模拟循环阻力比crr与循环次数n曲线；

23、将试验循环阻力比crr与循环次数n曲线和模拟循环阻力比crr与循环次数n曲线进行比较；

24、于试验循环阻力比crr与循环次数n曲线和模拟循环阻力比crr与循环次数n曲线拟合一致时，将基本参数作为修正模型参数进行输出；

25、于试验循环阻力比crr与循环次数n曲线和模拟循环阻力比crr与循环次数n曲线拟合不一致时，基于预设的合理范围调整基本参数；

26、基于调整后的基本参数对数值模型进行修正并模拟，以更新模拟循环阻力比crr与循环次数n曲线并重新将试验循环阻力比crr与循环次数n曲线和模拟循环阻力比crr与循环次数n曲线进行比较。

27、通过采用上述技术方案，由于循环阻力比crr与循环次数n曲线可以将饱和砂土的动态力学特性，特别是其循环强度、耗散特性和稳定性进行量化，故通过比对循环阻力比crr与循环次数n曲线即可确定本构模型是否可以作为现场土体环境的代表，当两者一致时，则说明此时本构模型完全可以表征现场土体环境，提高了本构模型建立的效率和准确性。

28、可选的，所述模型边界条件为：所述模型包括四周边界、底部边界和顶部边界，所述四周边界为预设的等位移边界，所述底部边界为预设的固定边界，所述顶部边界为预设的速度边界。

29、通过采用上述技术方案，通过设定边界条件，使得整个模型更加符合实际情况，相比于完全自由活动的边界更加符合液化大变形，提高了模型设定的合理性和真实性。

30、可选的，所述顶部边界应用预设的阶梯速度函数，所述阶梯速度函数由至少两个预设的恒定速度组成；于剪切应力达到预设的临界水平时，所述恒定速度切换，切换前的恒定速度和切换后的恒定速度的方向相反。

31、可选的，所述循环直接剪切试验为不排水试验。

32、可选的，所述本构模型为8节点单元。

33、通过采用上述技术方案，由于试样小，其应力状态是恒定的，因此只需要一个单元即可表征整体的应力状态，故在保证实际检测情况的条件下降低了本构模型的单元数，提高了本构模型构建的效率。

34、可选的，还包括于初始平衡条件下的fdm-dem-cfd耦合模型中输入影响范围处的应力场时程、位移场时程及孔隙水压力时程，并进行流固耦合地震反应分析的步骤前增加的步骤，所述增加的步骤包括：

35、于建立dem模型时赋予静力约束，所述dem模型包括dem侧向边界、dem底部边界和dem顶部边界，所述静力约束包括：dem侧向边界及dem底部边界采用预设的固定边界约束，所述dem顶部边界采用预设的自由边界约束；

36、于初始平衡条件下的fdm-dem-cfd耦合模型中输入影响范围处的应力场时程、位移场时程及孔隙水压力时程，并进行流固耦合地震反应分析前将静力约束失效。

37、第二方面，本技术提供一种饱和砂土液化大变形的模拟系统，采用如下的技术方案：

38、一种饱和砂土液化大变形的模拟系统，包括：

39、获取模块，用于获取土体样品和现场土体基本力学参数；

40、存储器，用于存储上述任一种饱和砂土液化大变形的模拟方法的控制方法的程序；

41、处理器，存储器中的程序能够被处理器加载执行且实现上述任一种饱和砂土液化大变形的模拟方法的控制方法。

42、通过采用上述技术方案，通过采用fdm方法进行整体固体应力场、位移场、渗流场分析，采用fdm-dem-cfd模型进行局部固体应力场、位移场、渗流场分析，通过整体与局部的信息换算，实现大尺度流固耦合分析，进而实现局部地层地震作用下的液化大变形模拟分析。

43、综上所述，本技术包括以下至少有益技术效果：

44、通过整体与局部的信息换算，实现大尺度流固耦合分析，进而实现局部地层地震作用下的液化大变形模拟分析；

45、通过现场的土体样品来修正本构模型以及对应的参数，数据更加真实，提高了本构模型建立的精确性和真实性；

46、通过设定边界条件，使得整个模型更加符合实际情况，相比于完全自由活动的边界更加符合液化大变形，提高了模型设定的合理性和真实性。