一种考虑易损部位的渠道衬砌冻融变形互馈解析与跨尺度裂纹扩展数值模拟方法

本发明涉及寒区水利工程与数值模拟，具体为一种考虑易损部位的渠道衬砌冻融变形互馈解析与跨尺度裂纹扩展数值模拟方法。

背景技术：

1、在我国东北、西北及青藏高原等寒区，大量灌溉与排水渠道采用混凝土衬砌结构。冻融循环作用下，渠基土内水分迁移、相变成冰，产生显著的冻胀力；同时，衬砌结构对冻胀变形的约束进一步引发接触界面应力重分布。现有研究多将衬砌结构视为均质连续体，忽略砂浆接缝的细观结构及力学弱化特性，无法准确描述微裂纹在接缝处萌生、扩展并贯通形成宏观裂缝的跨尺度演化过程。此外，传统有限元方法难以有效模拟裂纹的离散扩展行为。

2、因此，亟需建立一种能够反映易损部位影响、耦合冻融变形互馈关系并模拟裂纹跨尺度扩展的数值模拟方法。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种考虑易损部位的渠道衬砌冻融变形互馈解析与跨尺度裂纹扩展数值模拟方法，实现对寒区衬砌渠道冻融破坏全过程的理论分析与数值再现。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

3、一种考虑易损部位的渠道衬砌冻融变形互馈解析与跨尺度裂纹扩展数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

4、步骤一：建立含有易损部位的衬砌结构-渠基土冻融变形互馈关系解析模型

5、将渠基土视为广义winkler弹性地基，将渠道坡脚处的边坡板与渠底板之间接缝视作铰接处理；基于室内冻融循环-低温直剪试验建立接触界面法向和切向的多因素数值关系，并采用等间距分布的非线性弹簧模拟接触界面的力学行为；根据渠道断面整体坐标系和衬砌结构局部坐标系的转化关系，分别建立含有易损部位的边坡衬砌结构和渠底衬砌结构的力学平衡方程；基于边界条件和接触界面变形协调关系，建立冻融变形互馈解析模型，并采用matlab编程求解渠道衬砌结构的内力和变形分布；

6、步骤二：建立含有易损部位的渠道衬砌多尺度损伤分析模型

7、根据步骤一求得的渠道衬砌内力分布趋势，以砂浆极限压应变为基准，将整个衬砌结构区段划分为高应力区域和低应力区域；将高应力区域内的所有砂浆接缝定义为微观损伤区，将低应力区域及高应力区域内的衬砌块定义为宏观弹性变形区；基于abaqus有限元软件进行二次开发，对于易损部位按照砂浆实际配比采用随机方法生成砂粒分布；通过嵌入零厚度内聚力单元分别模拟衬砌块与砂浆体界面、砂粒与水泥浆体界面，建立易损区砂粒随机分布的细观多裂纹数值模型；

8、步骤三：建立衬砌渠道水-热-力多场耦合模型

9、基于非饱和土渗流和热传导理论，引入孔隙含冰量、土体负温和未冻水含量之间的动态平衡关系，建立冻土水-热-力耦合模型，包括热量传递方程、考虑冰水相变的水分迁移方程、未冻水含量与温度的动态平衡关系式以及基于增量弹塑性理论的冻土应力-应变方程；

10、步骤四：基于有限元-离散元耦合方法的衬砌结构多尺度损伤数值模拟

11、将步骤一、步骤二、步骤三所建立的模型进行集成，采用有限元-离散元耦合方法对寒区衬砌渠道在冻融循环作用下的结构响应和损伤演化全过程进行数值模拟，输出微裂纹密度、裂纹长度分布、最大裂纹长度与冻融循环次数关系曲线及衬砌结构位移场。

12、优选的，在步骤一中，渠基土与衬砌之间法向相互作用在温度大于等于0℃时采用单向受压弹簧模拟，负温情况下采用双向拉压线性弹簧模拟冻胀力和冻结力作用；其中法向力与法向位移关系为：

13、，

14、切向力与切向位移关系为，其中、、分别为受压刚度、受拉刚度和切向刚度，由室内冻融循环-低温直剪试验标定。

15、优选的，在步骤一中，整体坐标系与局部坐标系的转换关系为：

16、，

17、其中α为边坡倾角，满足，a为边坡坡比，为左侧边坡第m个衬砌板左端距离计算原点的长度，为该衬砌板产生的位移。

18、优选的，在步骤二中，高应力区域与低应力区域的划分准则为：计算各砂浆接缝处的最大压应变，设砂浆极限压应变为，

19、若，则该接缝区域为高应力区域即微观损伤区，其余区域为低应力区域即宏观弹性变形区。

20、优选的，在步骤二中，随机生成砂粒分布的方法采用蒙特卡洛方法或voronoi图算法，砂粒粒径分布范围为0.5mm~2mm，体积含量为55%~65%，空间分布满足不重叠条件；零厚度内聚力单元采用双线性牵引-分离本构模型，定义法向强度、切向强度和断裂能，损伤起始准则采用二次名义应力准则，损伤演化准则采用基于断裂能的bk混合模式准则。

21、优选的，在步骤三中，热量传递方程为：

22、冻结区：，

23、未冻区：，

24、水分迁移方程为：，

25、未冻水含量与温度关系为：，其中θu为未冻水含量，a1，b1是与土体的性质有关的试验常数；水热强耦合通过等效容积热容量和等效导热系数实现。

26、优选的，在步骤三中，基于增量弹塑性理论的冻土应力-应变方程为：

27、，

28、其中，为弹性矩阵，为冻胀应变增量向量，为塑性应变增量向量。

29、优选的，在步骤四中，有限元-离散元耦合方法采用基于接触力的显式时间积分耦合策略，在每个时间步交换边界力和位移；其中有限元区域为低应力区衬砌块和渠基土远场，采用c3d8r六面体实体单元；离散元区域为高应力区砂浆接缝，砂粒为刚性球体，水泥浆体为粘结接触；耦合时间步长选取准则为：。

30、优选的，在步骤四中，微裂纹扩展采用线弹性断裂力学准则：砂浆内微裂纹扩展条件为，界面裂纹扩展条件为，

31、且满足，

32、其中，为砂浆断裂韧度，为易损部位与衬砌块界面断裂韧度。

33、优选的，还包括模型验证与参数标定步骤，通过室内冻融循环-低温直剪试验及小比尺渠道模型试验，测定接触界面力学参数、砂浆断裂韧度、未冻水含量曲线，对模型关键参数进行标定与验证，验证指标包括衬砌结构位移、裂纹萌生循环次数、冻胀力分布和温度场演化。

34、本发明的有益效果为：

35、1、本发明首次将砂浆接缝作为独立细观结构引入冻融变形互馈解析模型，与现有技术中将衬砌视为均质连续体的方法相比，能够真实反映冻融过程中衬砌结构内力的非均匀分布特征，计算精度提高。

36、2、本发明提出的高/低应力区域划分准则，实现了宏观弹性区与细观损伤区的多尺度耦合，在保证计算精度的前提下，计算效率提高。

37、3、本发明采用随机生成砂粒分布与零厚度内聚力单元相结合的方法，能够真实模拟砂浆接缝内部的微裂纹萌生与扩展过程，克服了传统均质模型无法描述细观断裂机制的缺陷。

38、4、本发明建立的完整水-热-力三场耦合模型，实现了冻融过程中温度场、水分场和应力场的同步求解，为裂纹扩展提供了准确的驱动荷载。

39、5、本发明采用fem-dem耦合方法，兼具有限元计算高效和离散元模拟裂纹扩展的优势，可完整再现冻融循环作用下从细观损伤到宏观破坏的全过程。

40、6、本发明提供试验验证与参数标定路径，增强了模型的工程实用性与可靠性。