一种岩土模型的建模方法
【专利摘要】本发明公开了一种岩土模型的建模方法，其特征在于，该方法根据颗粒岩体的自然形成过程，在规定区域内使颗粒自然下落堆积、压实和充分接触，然后通过删除规定形状外的颗粒进行构型，计算至平衡得到初始地应力场；与经典步骤相比该方法不用计算mul，不用建立边坡墙和土层间的分界墙，不用消除悬浮颗粒；但增加了颗粒下落计算和构型过程；其包括如下步骤：生成模型外围边界墙，设置墙的刚度；在层岩土体竖直方向投影区域内生成颗粒；设置重力加速度，颗粒密度，刚度，摩擦系数，并计算至需要的堆积高度；设置颗粒之间的相互作用；删除不需要的颗粒，并计算至平衡；本发明可用于岩土工程模型的建立。
【专利说明】一种岩土模型的建模方法
【技术领域】
[0001]本I厥费及岩十工稈,録;g/是族及岩土工程模拟时，对于松散颗粒状岩土体的建 模。
【背景技术】
[0002]PFC3D是Itasca公司2008年发布的一款高端产品，特别适合于复杂机理性问题研 究。它是利用显式差分算法和离散元理论开发的微/细观力学程序，它是从介质的基本粒 子结构的角度考虑介质的基本力学特性，并认为给定介质在不同应力条件下的基本特性主 要取决于粒子之间接触状态的变化，适用研究粒状集合体的破裂和破裂发展问题、以及颗 粒的流动等大位移直问题。在岩土体工程中可以用来研究结构开裂、堆石材料特性和稳定 性、矿山崩落开采、边坡解体、爆破冲击等一系列传统数值方法难以解决的问题。
[0003]PFC3D应用难度较大，对用户要求较高。国内对PFC3D的应用和研究并不多，张龙 等研究了鸡尾山高速远程滑坡运动过程PFC3D模拟；陈宜楷对基于颗粒流离散元的尾矿库 坝体进行了稳定性分析。但是目前使用PFC3D所构建的模型形状都比较简单，尺寸也比较 小，难以满足实际工程的需要。
[0004]作者长时间从事模拟研究和工程模拟应用。认为根据PFC3D用户手册提供的建 模步骤，建模会出现一些问题，如半径放大系数(mul)确定困难、不同性质颗粒边界的接触 程度难以保证、删除边坡墙和土层间的分界墙后小球飞出的问题、在指定孔隙率后确定mul 时不考虑模型形状的影响等。这些问题使模型构建的不精确，构建后模型进行计算时变形 较大导致返工等问题。
[0005]作者考虑到具有颗粒性质岩土体形成过程是由于风化、沉积等作用使颗粒在竖 直方向从下到上逐层堆积，并经过自然压实的过程。按照该思想构建了”下落法(Fall Particles Method，FPM)”来构造初始应力场。论述了 FPM的基本步骤和优缺点，并应用于 尾矿库及煤堆开挖实例。
[0006]根据PFC3D用户手册PROBLEM SOLVING WITH PFC3d中的介绍，岩土问题数值分析 的一般步骤如图1所示。
[0007]PFC3D模型构建过程存在的问题
1.半径放大系数(mul)的确定问题
模型构建的第一步就是产生颗粒，有BALL和GENERATE命令。BALL命令一般用于规则 结构，GENERATE用于岩土结构,其中的参数rad rl r2表示颗粒的半径在[rl, r2]随机或 某一规律分布。颗粒的半径和填充空间尺寸决定了颗粒的数量。在使用PROP设置颗粒的 密度、剪切模量和弹性模量后，就是初始化颗粒的半径放大系数mul (定义见用户手册)，问 题是如何确定mul。如果mul较小,指定空间内填充不满，pfc3d将自动扩大mul继续计算, 在具体的工程问题中，颗粒较多，时间成本很大；如果mul较大，pfc3d将自动缩小mul继续 计算，但是由于密度、剪切模量和弹性模量已经设定，在分界墙和经过最初mul放大后半径 的限制下，颗粒球产生弹性变形。这时指定空间可以容纳下颗粒，但是颗粒积攒了弹性能，即使执行solve后也无法消除，当平衡后删除分界墙，颗粒就会向分界墙的限制方向飘逸。 这是由于调整mul的过程中，分界墙对颗粒一直施加了作用力。如果调整mul的过程中不使用分界墙，那么模型的形状和分层岩土体形状难以保证。如果使用分界墙，那么在最后计算初始地应力平衡时必须删除，以保证不同岩土层的充分接触。无论mul较大或较小都存在这个问题，难以避免。本发明根据图1和图2，构造的删除分界墙前，和删除分界墙后进行平衡计算100时，尾矿库的模型分别如图3，4所示。
[0008]2不同性质颗粒边界的接触
根据第一节所述步骤和用户手册的相关内容，不同属性的颗粒是分别产生的。如图3 所示，不同属性岩土层的形状不同，要构造规定形状的岩土层，就要使用分界墙，但是使用分界墙存在问题。颗粒的半径和填充空间尺寸决定了颗粒的数量，本人发现了分界墙组成的空间形状也影响了颗粒的数量和孔隙率等相关参数。当空间形状有较小的角度时就会出现无法填充的问题。如图5所示，为图3中初期坝背侧放大图。
[0009]图5中可以看出，土层尖端处没有颗粒填充。当然颗粒越小这个问题越不明显，但是计算成本会指数上升。这个现象从另一个方面看，可以认为在去掉分界墙前，各层岩土颗粒之间的接触程度难以保证，这显然不对，如图6所示。如果去掉分界墙，未填充的空间在重力作用下其上部颗粒向下移动，同时与分界墙接触受限制的小球失去了墙的约束会向反方向移动，使模型严重变形，这也是造成图4现象的原因。
[0010]3孔隙率问题
在实际的工程问题中，颗粒体的一个重要参数就是孔隙率。在PFC3D中经常要构建指定孔隙率的颗粒体。PFC3D中孔隙率n的定义如图21中公式所示。
[0011]式中:Vp是分界墙构建模型内容纳的颗粒体积，V是界墙构建模型体积。
[0012]PFC3D中给出了构建指定孔隙率模型的方法，推导过程如图22所示。
[0013]式中W是颗粒半径，^ld是上一次计算得到的颗粒半径，/7-是上一次计算得到的模型孔隙率，?是调整系数，即mul。
[0014]PFC3D中的命令流为: loop while bp # null
sum = sum + (4.0/3.0) *` pi * b_rad (bp)A 3 bp = b—next(bp) end—loop
pmeas = LO- sum / tot_vol
—mult= ((1.0-poros) / (1.0-pmeas))A (1.0/3.0)。
[0015]但图22中公式存在问题，推导的第一步认为模型中非空隙的部分全部是颗粒球体的体积。这是理想的，没有考虑球体弹性变形，更严重的是未考虑模型尖端空隙部分，如图5中的模型尖端空隙部分。这种理想情况导致了应被球体填充的空间未被填充，使Vp减小，n增加，m增加。最终的mul大于适用的mul。进而使球体产生更大的变形，删除分界墙后颗粒的飘逸现象更严重。形状越复杂，mul越不准确。
[0016]针对上述实际工程中遇到的问题，作者提出了 FPM构建PFC3D模型。
【发明内容】
[0017]针对根据PFC3D用户手册提供的建模步骤，建模会出现一些问题，如半径放大系 数(mul)确定困难、不同性质颗粒边界的接触程度难以保证、删除边坡墙和土层间的分界 墙后小球飞出的问题、在指定孔隙率后确定mul时不考虑模型形状的影响等。这些问题使 模型构建的不精确，构建后模型进行计算时变形较大导致返工等问题。考虑到具有颗粒性 质岩土体形成过程是由于风化、沉积等作用使颗粒在竖直方向从下到上逐层堆积，并经过 自然压实的过程，按照该思想构建了“下落法(Fall Particles Method, FPM)”来构造岩土 模型。
[0018]1.下落法构建模型的过程
FPM是通过使颗粒在竖直方向从下到上逐层堆积并压实的过程构造模型的，下落法分 为整体下落法(Overall Particles Fall Method, OPFM)和分层下落法(Hierarchical Particles Fall Method, HPFM)。其流程分别如图7，8所示。图9所示为HPFM构建尾矿
库第三岩土层的过程。
[0019]图9显示了 HPFM构造一层岩土体的过程。从实质上述OPFM和HPFM是一致的，区 别在于HPFM的岩土体属性设置和平衡计算是分步的，更接近于实际情况；而OPFM是通过 FISH语句定向判断每个球的所在土层然后赋值的。前者平衡计算消耗时间较多，后者属性 设置消耗时间较多。
[0020]2.删除不需要颗粒的方法
这里需要说明的是两种方法中，删除不需要颗粒的方法都是FISH语句。但是具体的实 现又分为两种方法，这两种方法可以简单的表述为删除指定区域内的颗粒和判断颗粒在指 定删除区域后删除，前者使用命令流range定位，后者使用FISH语句find_ball (id)定位。 前者的效率较高，但不精确，后者相反。岩土层形状越复杂两者的效率越接近。图9中模型 使用了后者进行颗粒删除，其命令流如下所示，前者命令流见第4节。使用HPFM构造的尾 矿库最终计算至平衡的模型如图10所示。模型的CForce Chains如图11所示。
[0021]def delz3
loop nn (20001, 23000) bp=find_ball(nn)
_brad = b_rad(bp)
_bx = b_x(bp)
_by = b_y(bp)
_bz = b_z(bp)
sx=-140
Ix=IOO
sy=0
ly=20
sz=0
Izl=0.125*_bx+17.5 ;曲线的确定是根据图9中第三岩土层竖直方向最高点和最低 点确定的。
[0022]if _bx>sx then if bx〈100 thenif Jozyizl then command
del ball range id =nn end—command end—if end—if end—if end—loop end
图10与图3相比外包络线和不同性质岩土层分界线不是平滑的，而是粗糙的，符合实际情况。图10与图4相比，图4只计算100步就出现了严重的颗粒飘逸现象，而且不同岩土层的颗粒已进入其他岩土层，这是错误的，导致整个模型严重变形。图10已经计算到平衡状态，没出现图4中的错误现象，唯一出现的明显变形是最下层基岩左端被尾矿库重力挤压隆起。
【专利附图】
【附图说明】[0023]图1岩土数值分析的推荐步骤。[0024]图2颗粒流实际模型建立的流程图。[0025]图3删除分界墙前的尾矿库模型。[0026]图4删除分界墙后进行平衡计算100时尾矿库模型。[0027]图5初期坝背侧放大图。[0028]图6初期坝背侧区域接触情况。[0029]图7HPFM流程图。[0030]图8OPFM流程图。[0031]图9HPFM构建尾矿库第三岩土层的过程。[0032]图10尾矿库最终模型。[0033]图11模型的 CForce Chains。[0034]图12使用OPFM构造的煤堆及其开挖后的重要参数图示。[0035]图13使用OPFM构造的煤堆及其开挖后的重要参数图示。[0036]图14使用OPFM构造的煤堆及其开挖后的重要参数图示。[0037]图15使用OPFM构造的煤堆及其开挖后的重要参数图示。[0038]图16使用OPFM构造的煤堆及其开挖后的重要参数图示。[0039]图17使用OPFM构造的煤堆及其开挖后的重要参数图示。[0040]图18使用OPFM构造的煤堆及其开挖后的重要参数图示。[0041]图19使用OPFM构造的煤堆及其开挖后的重要参数图示。[0042]图20使用OPFM构造的煤堆及其开挖后的重要参数图示。[0043]图21孔隙率n的定义公式。[0044]图22构建指定孔隙率模型的公式。【具体实施方式】
[0045]在上述分析中为说明下落法，特别是HPFM的原理和使用，列举了尾矿库的例子。
[0046]这里举例对OPFM和另一种删除颗粒的方法进行论述。该例为某工厂的煤堆，该工 厂在进行生产过程中需使用大量的煤，煤堆体积较大。由于在从煤堆坡脚处取煤过程中，不 慎造成煤堆的滑坡的事故。我研究所受该工厂委托分析造成事故的原因，及其预防措施。对 于该煤堆分析特别适用于FPC3D，以此例说明OPFM的构建过程。相关参数为:煤堆顶面距地 面高(坡高)30m，坡长38.5m。由于硬件限制和分析要求，模型的宽取0.5m。地面的摩擦系 数为0.3，颗粒的摩擦系数为0.3，煤的密度为1400kg/m3，弹性模量和剪切模量为I X IO8Pa, 颗粒半径范围[0.05m, 0.15m]。开挖部分高为3.5m,宽为3m的斜三角形，如图16。
[0047]图12至图20显示了使用OPFM构造煤堆的过程，并进行了开挖，得到了开挖后的 各场的矢量图。这里给出另一种删除颗粒的方法，代码如下:
del ball range z 30.1 100 def delz2
num=(46.5-8)/0.1 ;0.1为颗粒的最小粒径。
[0048]loop nn (I, num) xl=8+0.1* (nn-1) x2=8+0.l*nn
zl=-0.7792*(xl+x2)/2+36.2338 ;曲线的确定是根据图17所示岩土层竖直方向最高 点和最低点确定的。
[0049]z2=100 command
del ball range x xl x2 z zl z2 end—command end—loop end
作者提出并实现了 “下落法”对Pfc3d岩土模型的构造，根据颗粒岩体的自然形成过 程，使小球自然下落堆积、压实和充分接触，然后删除颗粒进行构型，计算至平衡得到初始 地应力场模型。主要特点如下:
I)指出了使用用户手册提供的建模步骤进行岩土模型构建过程中的问题。主要包括: 半径放大系数(mul)的确定问题，不同性质颗粒边界的接触程度问题，孔隙率对半径放大 系数的影响问题。
[0050]2)提出了下落法构造模型的步骤。下落法可分为OPFM和HPFM，区别在于HPFM的 岩土体属性设置和平衡计算是分步的，更接近于实际情况；而OPFM是通过FISH语句定向判 断每个球的所在土层然后赋值的。前者平衡计算消耗时间较多，后者属性设置消耗时间较多。
[0051]3)提供了两种删除颗粒的构型方法。两种方法可以表述为删除指定区域内的颗粒 和判断颗粒在指定删除区域后删除，前者使用命令流range定位，后者使用FISH语句find_ ball (id)定位。前者的效率较高，但不精确，后者相反。岩土层形状越复杂两者的效率越接 近。并给出了两种方法的代码。
【权利要求】
1.一种岩土模型的建模方法，差遵遼?亥方法根据颗粒岩体的自然形成过程，在规定区域内使颗粒自然下落堆积、压实和充分接触，然后通过删除规定形状外的颗粒进行构型，计算至平衡得到初始地应力场；与经典步骤相比该方法不用计算mul，不用建立边坡墙和土层间的分界墙，不用消除悬浮颗粒；但增加了颗粒下落计算和构型过程?、其包括如下步骤:生成模型外围边界墙，设置墙的刚度;在层岩土体竖直方向投影区域内生成颗粒；设置重力加速度，颗粒密度，刚度，摩擦系数，并计算至需要的堆积高度；设置颗粒之间的相互作用；删除不需要的颗粒，并计算至平衡;基发巡^￡岩土工程模型的建立。
2.根据权利要求1所述的一种岩土模型的建模方法，其特征在于，该方法根据颗粒岩体的自然形成过程，在规定区域内使颗粒自然下落堆积、压实和充分接触，然后通过删除规定形状外的颗粒进行构型，计算至平衡得到初始地应力场，命名为“下落法(Fall Particles Method, FPM)，，。
3.根据权利要求2所述的下落法，其特征在于，FPM是通过使颗粒在竖直方向从下到上逐层堆积并压实的过程构造模型的，下落法分为整体下落法(Overall Particles Fall Method, OPFM)和分层下落法(Hierarchical Particles Fall Method, HPFM)。
4.根据权利要求3所述的整体下落法，其特征在于，包括:1)生成模型外围边界墙，设置墙的刚度；2)设置当前层岩土体的外围边界墙，设置墙的刚度；3)在当前层岩土体竖直方向投影区域内生成颗粒；4)设置重力加速度，颗粒密度，刚度，摩擦系数，并计算至需要的堆积高度；5)设置颗粒之间的相互作用，n_bond, s_bond ；6)删除不需要的颗粒，并计算至平衡；7)是否完成最顶层构造；8)调整相关参数，并计算至平衡。
5.根据权利要求3所述的分层下落法，其特征在于，包括:1)生成模型外围边界墙，设置墙的刚度；2)设置当前层岩土体的外围边界墙，设置墙的刚度；3)设置重力加速度，颗粒密度，刚度，摩擦系数，并计算至需要的堆积高度；4)设置颗粒之间的相互作用，n_bond, s_ bond ；5)删除不需要的颗粒，并计算至平衡；6)调整相关参数，并计算至平衡。
6.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，与经典PFC3D建模步骤相比该方法不用计算mul，不用建立边坡墙和土层间的分界墙，不用消除悬浮颗粒。
7.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，与经典PFC3D建模步骤相比增加了颗粒下落计算和构型过程。
8.根据权利要求1所述的删除规定形状外的颗粒，其特征在于，两种方法中，删除不需要颗粒的方法都是FISH语句。
9.根据权利要求8所述的两种方法中，其特征在于，这两种方法可以简单的表述为删除指定区域内的颗粒和判断颗粒在指定删除区域后删除，前者使用命令流range定位，后者使用FISH语句find_ball(id)定位；前者的效率较高，但不精确，后者相反；岩土层形状越复杂两者的效率越接近。
【文档编号】G06F17/50GK103500259SQ201310490587
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年10月19日 优先权日:2013年10月19日
【发明者】赫飞, 赵东洋, 崔铁军, 吴迪 申请人:辽宁工程技术大学