按指定级配孔隙率生成均质土样的离散元土样制备方法

1.本发明涉及岩土体离散元数值模拟技术领域，尤其涉及一种按指定级配孔隙率生成均质土样的离散元土样制备方法。


背景技术：

2.现实中土体是一种散体材料，而离散元可以很好的模拟散体材料，所以离散元在岩土工程研究中得到广泛的应用。离散元建模过程对离散元数值模拟的结果有很大影响，而制备土样作为离散元建模的第一步就显得尤为重要。对于初始土样的制备现在主要的方法有半径扩大法、分层压实法和一次生成法等，这些方法虽然能制得比较均匀的土样，但是都有各自的缺陷，半径扩大法生成的孔隙率和土样尺寸会有所改变；分层压实法计算效率较低，并且生成的试样分层现象非常明显；一次生成法生成的土样均质性很差。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于，针对在离散元建模过程中制备的土样级配和孔隙率达不到要求以及颗粒分布不均匀计算效率低的问题，提供一种按指定级配空隙率生成均质土样的离散元土样制备方法。
4.本发明采用的技术方案是：按指定级配孔隙率生成均质土样的离散元土样制备方法，包括以下步骤：
5.步骤1：根据级配曲线的控制点分区段确定颗粒数目，具体为，根据试样尺寸、孔隙率和级配曲线计算每一个区段颗粒的总体积，通过总体积得到区段颗粒总数目；在区段的粒径范围内随机选取粒径值，选取的次数为区段总颗粒数；重复此步骤确定所有区段的颗粒数目；
6.步骤2：将试样按高度进行分层，每一层的高度在颗粒平均粒径的20
‑
30倍；单独对每一层制备试样，通过步骤1按指定级配和孔隙率确定一层的颗粒数目，然后按其两层的尺寸生成六面墙，在六面墙围成的长方体空间内给颗粒随机确定一个位置；给颗粒赋予线性接触，使离散元软件运行2000
‑
5000步，每一百步给颗粒的速度清零，让颗粒缓慢弹开，之后再运行离散元软件，直至颗粒运动速度接近零，使颗粒分散均匀；然后控制上下墙往中间移动，将颗粒压缩到一层的空间内，之后墙体停止移动，运行离散元软件使颗粒运动平衡，颗粒速度接近零；记录这一层的颗粒半径和位置坐标，删除这层的颗粒和墙体；再重复以上步骤完成其他层的颗粒半径和位置坐标的记录；
7.步骤3：将步骤2确定的多层试样进行组装，通过改变层颗粒的z轴坐标值按层进行叠加；为了消除组装后层与层之间的分层现象，将上下两层之间的颗粒删除，复制更下一层的中间颗粒来进行替换，位于最下面分层处的颗粒则通过复制最高层中间处的颗粒进行替换；之后运行离散元软件，直至颗粒运动速度接近零，使颗粒分散均匀；
8.步骤4：对步骤3得到试样施加重力和摩擦力，运行离散元软件，使土体在重力的作用下沉降固结，最终颗粒速度接近零。
9.进一步，步骤1中，为了简化步骤，每一个区段颗粒直径均匀分布。
10.进一步，步骤1中，区段颗粒总数目是通过该区段总体积除以该区段颗粒最大粒径和最小粒径的平均值得到。
11.进一步，步骤2中在六面墙围成的长方体空间内给颗粒随机确定一个位置，其具体步骤为：在x、y、z范围内分别随机选一个值，不考虑颗粒的重叠。
12.进一步，步骤4之前的重力摩擦力都是零。
13.本发明的有益效果是：
14.(1)本发明可以快速制得指定孔隙率和级配的均匀试样。
15.(2)本发明相对于其他制样方法计算效率快。
16.(3)本发明的制样方法可以有效消除分层现象，尤其对异形颗粒非常实用。
附图说明
17.图1是本发明步骤1的流程图。
18.图2是实施例中单层制样墙体压缩颗粒图。
19.图3是实施例中对分层处颗粒的替换示意图。
20.图4是实施例中分层处颗粒替换后的示意图。
21.图5是实施例中施加摩擦力和重力后土体固结沉降后的力链图。
22.图6是实施例中施加摩擦力和重力后土体固结沉降后的颗粒图。
具体实施方式
23.下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
25.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
26.参照附图，一种按指定级配空隙率生成均质土样的离散元土样制备方法，包括如下步骤：
27.步骤1：颗粒数目的确定
28.如图1所示，根据级配曲线的控制点分区段确定颗粒数目。为了简化步骤，每一个区段颗粒直径均匀分布，根据试样尺寸、孔隙率和级配曲线计算每一个区段颗粒的总体积，
总体积除以区段颗粒最大粒径和最小粒径的平均值得到区段颗粒总数目。在区段的粒径范围内随机选取粒径值，选取的次数为区段总颗粒数。重复此步骤确定所有区段的颗粒数目。
29.步骤2：单层制样
30.如图2所示，首先将试样按高度进行分层，每一层的高度在颗粒平均粒径的20
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30倍，通过步骤1按指定级配和孔隙率确定一层的颗粒数目，然后按两层的尺寸生成六面墙，在六面墙围成的长方体空间内给颗粒随机确定一个位置，不考虑颗粒的重叠。给颗粒赋予线性接触，重力和摩擦力设为零，使离散元软件运行2000
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5000，每一百步给颗粒的速度清零，让颗粒缓慢弹开，之后再运行离散元软件，直至颗粒运动速度接近零，使颗粒分散均匀。然后控制上下墙往中间移动，将颗粒压缩到一层的空间内，之后墙体停止移动，运行离散元软件，直至颗粒运动速度接近零，使颗粒运动平衡。然后将这一层的颗粒半径和位置坐标进行记录。删除这层的颗粒和墙体再重复以上步骤完成其他层的颗粒半径和位置坐标的记录。这样就一直只有一层的计算量，大大提高计算效率。
31.步骤3：分层处颗粒的替换
32.如图3所示，首先将步骤2确定的多层试样进行组装，通过改变层颗粒的z轴坐标值按层进行叠加。为了消除组装后层与层之间的分层现象，将上下两层之间的颗粒删除，复制更下一层的中间颗粒来进行替换，位于最下面的第一个分层处颗粒的替换通过复制最高层中间处的颗粒，替换后如图4所示。之后运行离散元软件，直至颗粒运动速度接近零，使颗粒分散均匀。
33.步骤4：施加重力和摩擦力
34.通过步骤3得到所需尺寸的试样后，最后施加重力和摩擦力，运行离散元软件，使土体在重力的作用下沉降固结，最终颗粒速度接近零。图6和图5是施加重力和摩擦力后试样中颗粒的位置情况以及此时试样的力链图，从图6中可以看出颗粒分布均匀密实，没有明显分层现象，从图5可以看出力链底下粗越往上越细符合现实土压力随深度的变化情况，同一高度的力链也分布均匀，没有出现明显的分层现象。
35.本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。