[發(fā)明專利]一種考慮顆粒形狀隨機(jī)性的碎石土層離散元模擬方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711063339.6
• 申請(qǐng)日: 2017-11-02
• 公開（公告）號(hào): CN108052690A
• 公開（公告）日: 2018-05-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 譚勇;李想;劉楚楠;陳萬壘
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 同濟(jì)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 上海科盛知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 趙志遠(yuǎn)

本發(fā)明涉及一種考慮顆粒形狀隨機(jī)性的碎石土層離散元模擬方法，包括：步驟S1：生成碎石土級(jí)配曲線；步驟S2：建立的歸一化隨機(jī)凸多邊形的形狀庫(kù)；步驟S3：采用基于中軸轉(zhuǎn)換的圓盤填充覆蓋法得到形狀庫(kù)中各多邊形的圓盤填充表示；步驟S4：根據(jù)形狀庫(kù)按照各多邊形的圓盤填充表示，基于級(jí)配曲線隨機(jī)生成大小不等的凸多邊形顆粒；步驟S5：生成小直徑顆粒填補(bǔ)在凸多邊形顆粒之間；步驟S6：添加重力場(chǎng)，使整個(gè)系統(tǒng)平衡，完成模型的構(gòu)建。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明用于對(duì)土石混合體地層的模擬，便于研究土石混合體本構(gòu)關(guān)系，破壞形式，基坑開挖，邊坡穩(wěn)定，隧道掘進(jìn)等工程問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及土木工程領(lǐng)域，尤其是涉及一種考慮顆粒形狀隨機(jī)性的碎石土層離散元模擬方法。

背景技術(shù)

在巖土工程中碎石土是一種較為特殊的巖土介質(zhì)。與傳統(tǒng)的軟粘土或砂土相比，碎石土地層中顆粒強(qiáng)度高，但顆粒之間幾乎無粘聚力，顆粒尺寸差異大，因此表現(xiàn)出來的物理力學(xué)性質(zhì)也更加復(fù)雜。隨著我國(guó)隧道建設(shè)的發(fā)展，交通網(wǎng)絡(luò)不斷完善并延伸，在近幾年來的隧道建設(shè)中，對(duì)于盾構(gòu)隧道在碎石土地層中的工程問題，也逐漸受到了專家學(xué)者的關(guān)注。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者從宏觀和細(xì)觀尺度均做了大量的試驗(yàn)研究來了解其動(dòng)態(tài)或靜態(tài)條件下強(qiáng)度、彈性模量、剪脹性、滲透性、動(dòng)力阻尼或頻率響應(yīng)等力學(xué)特性。宏觀尺度上主要針對(duì)不同介質(zhì)的土石復(fù)合體進(jìn)行了大量的三軸試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)，并嘗試通過應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)建立本構(gòu)關(guān)系。細(xì)觀尺度主要是通過CT試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)獲得其變形、應(yīng)變局部化、裂縫擴(kuò)展特征。但多數(shù)限于試驗(yàn)室的設(shè)備，涉及的尺度較小，而且試驗(yàn)所得結(jié)果離散型很大，因此試驗(yàn)工作量成本會(huì)加大，因而數(shù)值模擬成為了在通過試驗(yàn)建立其對(duì)土石混合體基本認(rèn)識(shí)后，提高對(duì)其宏細(xì)觀力學(xué)特性認(rèn)識(shí)(如其相互作用，破壞機(jī)制)的重要研究手段。

PFC在散體物料、微觀力學(xué)、巖土體等各方面的應(yīng)用已形成較豐富的研究經(jīng)驗(yàn)，加之具有強(qiáng)大的二次開發(fā)功能，現(xiàn)已成為研究巖土體宏觀、細(xì)觀、微觀性質(zhì)的重要工具。在早期對(duì)土石混合體的離散元研究中，僅僅考慮含石率的影響，對(duì)于級(jí)配也僅僅是簡(jiǎn)單級(jí)配(粒徑線性均勻分布)，此外，也未考慮碎石的幾何形狀，不能隨機(jī)生成凸多邊形碎石。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種考慮顆粒形狀隨機(jī)性的碎石土層離散元模擬方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種考慮顆粒形狀隨機(jī)性的碎石土層離散元模擬方法，包括：

步驟S1：生成碎石土級(jí)配曲線；

步驟S2：建立的歸一化隨機(jī)凸多邊形的形狀庫(kù)；

步驟S3：采用基于中軸轉(zhuǎn)換的圓盤填充覆蓋法得到形狀庫(kù)中各多邊形的圓盤填充表示；

步驟S4：根據(jù)形狀庫(kù)按照各多邊形的圓盤填充表示，基于級(jí)配曲線隨機(jī)生成大小不等的凸多邊形顆粒；

步驟S5：生成小直徑顆粒填補(bǔ)在凸多邊形顆粒之間；

步驟S6：添加重力場(chǎng)，使整個(gè)系統(tǒng)平衡，完成模型的構(gòu)建。

所述步驟S1具體為：采用兩端截?cái)嗟膬蓞?shù)Weibull分布模型生成碎石土地層中碎石顆粒的級(jí)配曲線。

所述步驟S2具體包括：

步驟S21：隨機(jī)生成凸多邊形；

步驟S22：將凸多邊形的最小外接矩形中寬度最小的矩形作為該凸多邊形的寬度；

步驟S23：按照各凸多邊形的寬度歸一化處理，建立的歸一化隨機(jī)凸多邊形的形狀庫(kù)。

所述步驟S21中對(duì)任一隨機(jī)凸多邊形的生成過程包括：

步驟S211：隨機(jī)生成凸多邊形的期望邊數(shù)；