[发明专利]一种考虑颗粒形状随机性的碎石土层离散元模拟方法

说明书

本发明涉及一种考虑颗粒形状随机性的碎石土层离散元模拟方法，包括：步骤S1：生成碎石土级配曲线；步骤S2：建立的归一化随机凸多边形的形状库；步骤S3：采用基于中轴转换的圆盘填充覆盖法得到形状库中各多边形的圆盘填充表示；步骤S4：根据形状库按照各多边形的圆盘填充表示，基于级配曲线随机生成大小不等的凸多边形颗粒；步骤S5：生成小直径颗粒填补在凸多边形颗粒之间；步骤S6：添加重力场，使整个系统平衡，完成模型的构建。与现有技术相比，本发明用于对土石混合体地层的模拟，便于研究土石混合体本构关系，破坏形式，基坑开挖，边坡稳定，隧道掘进等工程问题。

技术领域

本发明涉及土木工程领域，尤其是涉及一种考虑颗粒形状随机性的碎石土层离散元模拟方法。

背景技术

在岩土工程中碎石土是一种较为特殊的岩土介质。与传统的软粘土或砂土相比，碎石土地层中颗粒强度高，但颗粒之间几乎无粘聚力，颗粒尺寸差异大，因此表现出来的物理力学性质也更加复杂。随着我国隧道建设的发展，交通网络不断完善并延伸，在近几年来的隧道建设中，对于盾构隧道在碎石土地层中的工程问题，也逐渐受到了专家学者的关注。

目前国内外学者从宏观和细观尺度均做了大量的试验研究来了解其动态或静态条件下强度、弹性模量、剪胀性、渗透性、动力阻尼或频率响应等力学特性。宏观尺度上主要针对不同介质的土石复合体进行了大量的三轴试验、直剪试验，并尝试通过应力-应变响应建立本构关系。细观尺度主要是通过CT试验和计算机图像处理技术获得其变形、应变局部化、裂缝扩展特征。但多数限于试验室的设备，涉及的尺度较小，而且试验所得结果离散型很大，因此试验工作量成本会加大，因而数值模拟成为了在通过试验建立其对土石混合体基本认识后，提高对其宏细观力学特性认识(如其相互作用，破坏机制)的重要研究手段。

PFC在散体物料、微观力学、岩土体等各方面的应用已形成较丰富的研究经验，加之具有强大的二次开发功能，现已成为研究岩土体宏观、细观、微观性质的重要工具。在早期对土石混合体的离散元研究中，仅仅考虑含石率的影响，对于级配也仅仅是简单级配(粒径线性均匀分布)，此外，也未考虑碎石的几何形状，不能随机生成凸多边形碎石。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种考虑颗粒形状随机性的碎石土层离散元模拟方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种考虑颗粒形状随机性的碎石土层离散元模拟方法，包括：

步骤S1：生成碎石土级配曲线；

步骤S2：建立的归一化随机凸多边形的形状库；

步骤S3：采用基于中轴转换的圆盘填充覆盖法得到形状库中各多边形的圆盘填充表示；

步骤S4：根据形状库按照各多边形的圆盘填充表示，基于级配曲线随机生成大小不等的凸多边形颗粒；

步骤S5：生成小直径颗粒填补在凸多边形颗粒之间；

步骤S6：添加重力场，使整个系统平衡，完成模型的构建。

所述步骤S1具体为：采用两端截断的两参数Weibull分布模型生成碎石土地层中碎石颗粒的级配曲线。

所述步骤S2具体包括：

步骤S21：随机生成凸多边形；

步骤S22：将凸多边形的最小外接矩形中宽度最小的矩形作为该凸多边形的宽度；

步骤S23：按照各凸多边形的宽度归一化处理，建立的归一化随机凸多边形的形状库。

所述步骤S21中对任一随机凸多边形的生成过程包括：

步骤S211：随机生成凸多边形的期望边数；