CN102521485A

CN102521485A - 一种利用dda对粗粒土工程性质的数值仿真算法

Info

Publication number: CN102521485A
Application number: CN2011103801525A
Authority: CN
Inventors: 郭培玺
Original assignee: Wuhan Surveying Geotechnical Research Institute Co Ltd of MCC
Current assignee: Wuhan Surveying Geotechnical Research Institute Co Ltd of MCC
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2012-06-27

Abstract

一种利用DDA对粗粒土工程性质的数值仿真算法，先随机生成多边形，然后根据侵入判断，进行颗粒的投放。按照粗粒土室内试验要求，在预定投放区域内生成满足一定级配要求的多边形颗粒，颗粒的位置随机，边数、边长也随机，且颗粒间互不相交，从而生成松散分布的颗粒系统。经过堆积模拟，生成和实际接近的堆积体。参照室内三轴试验，在试样的两侧加上柔性材料并离散为块体，顶部和底部加上刚性板。为了保持轴向压力垂直作用，顶部加荷板的两侧放置了刚性块。在两侧和顶部分别施加围压σ₃和轴压σ₁试验荷载后，应用DDA进行粗粒土力学试验的数值模拟。

Description

一种利用DDA对粗粒土工程性质的数值仿真算法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体的说是计算机数值模拟对粗粒土工程性质的数值仿真算法。

背景技术

粗粒土在自然界分布广泛、储量丰富。由于它具有压实性能好、透水性强、填筑密度大、抗剪强度高、沉降变形小、承载力高等工程特性，因此在工程建设中得到了广泛应用。如用于建筑土石坝、铁路路基、桥梁墩台及处理软弱地基的碎石垫层，此外，许多土石坝工程利用砂砾石、堆石等填筑。但工程设计中采用的稳定分析指标，仍是以天然休止角代替内摩擦角，粗粒土的工程特性不能充分反映出来，设计偏于保守。

数值模拟可以获得粗粒土的细观力学行为，形成离散颗粒的本构关系。相比较物理模拟和理论分析，采用数值模拟可以不受外界条件的限制，并且能够较好地再现现场的受力过程，而且可以很容易地获得应力、应变参数、细观力学特征以及结构的空间分布等。DDA(Discontinuous DeformationAnalysis)是近年新发展的一种数值计算理论，在满足弹性理论的基本方程条件下能够反映出岩体变形的不连续性，是兼有有限元法与离散元法二者部分优点的一种很有发展前途的数值计算方法。以非连续力学的方法研究各单元之间的相互作用和相互接触，并结合不同的本构关系，可形象直观地计算并显示出各块体的位移和转动及应变，块体界面上的滑动、张开、闭合等。

发明内容

本发明提供了一种实现DDA对粗粒土工程性质的计算机仿真模拟算法。保证块体紧密接触、不嵌入，是一种严谨的算法。

1、根据以往研究的成果，对于卵石骨料混凝土假定骨料为圆形或球形是合适的，而且算法简单。但对于一般的碎石骨料混凝土，需要建立不规则多边形或多面体模拟骨料、碎石骨料，因其破碎、加工工艺等，骨料形状基本上呈凸多边形。针对粗粒土颗粒形状特点，以及堆积体的特性，研究二维凸多边形骨料的随机投放算法非常有实际意义。先随机生成多边形，然后根据侵入判断，进行颗粒的投放。按照粗粒土室内试验要求，在预定投放区域内生成满足一定级配要求的多边形颗粒，颗粒的位置随机，边数、边长也随机，且颗粒间互不相交，从而生成松散分布的颗粒系统。经过堆积模拟，生成和实际接近的堆积体(参见图1、图3)。

一种利用DDA对粗粒土工程性质的数值仿真算法，包括以下步骤：

(1)二维凸多边形骨料的随机投放算法，先随机生成多边形，然后根据侵入判断，进行颗粒的投放，按照粗粒土室内试验要求(中华人民共和国行业标准SL237-1999《土工试验规程》中SL237-053-1999粗颗粒土的试样制备)，在预定投放区域内生成满足一定级配要求的多边形颗粒，颗粒的位置随机，边数、边长也随机，且颗粒间互不相交，从而生成松散分布的颗粒系统，经过堆积模拟，生成和实际接近的堆积体；

(2)参照室内三轴试验(中华人民共和国行业标准SL237-1999《土工试验规程》中SL237-060-1999粗颗粒土三轴压缩试验)在试样的两侧加上柔性材料并离散为块体，顶部和底部加上刚性板；为了保持轴向压力垂直作用，顶部加荷板的两侧放置了刚性块，在两侧和顶部分别施加围压σ₃和轴压σ₁.(围压σ₃分别为0.2、0.4、0.6、0.8MPa)试验荷载后，就可以应用DDA进行粗粒土力学试验的数值模拟。

多边形的顶点坐标计算如下，

x_i＝x₀+r_icosφ′_i

y_i＝y₀+r_isinφ′_i

式中，x₀，y₀为该多边形极坐标的中心，在投放区域内随机分布；

φ_{i}^{'} = Σ_{j = 1}^{i} {\overset{&OverBar;}{φ}}_{j}

上述生成的颗粒可能是凹多边形，如果假定颗粒为凸多边形，则要删除凹角。根据连接顶点的两条边的夹角判断多边形顶点的凹凸性。

为确保颗粒间互不重叠，应判断即将生成的颗粒是否与已经生成的颗粒相交。如果相交，则重新生成。相交判断一般先用简单方法判断颗粒间是否互相分离，如果不能简单判断出互相分离，则再检查颗粒的顶点是否有落在其他颗粒的多边形内。

参照室内三轴试验，在试样的两侧加上柔性材料并离散为块体，顶部和底部加上刚性板。为了保持轴向压力垂直作用，顶部加荷板的两侧放置了刚性块。在两侧和顶部分别施加围压σ₃和轴压σ₁试验荷载后，就可以应用DDA进行粗粒土力学试验的数值模拟。

经过对比，计算机仿真模拟得到的模拟曲线，与试验曲线规律基本一致。这说明模拟是真实、可信的。同时说明，利用数值模拟研究粗粒土的性质规律具有可行性。

本发明利用DDA对粗粒土工程性质的数值仿真算法的优点在于：

1、采用凸多边形模拟粗粒土颗粒，基本符合粗粒土的性质特点；

2、模拟的颗粒块体具有不重叠、接触稳定，形状随机的特点；

3、模拟过程可靠，反映实际试验过程。

附图说明

图1a、b为本发明利用DDA对粗粒土工程性质的数值仿真算法生成的颗粒堆积体模型。

图2a为σ₃为0.2MPa时的应力、应变曲线；

图2b为σ₃为0.4MPa时的应力、应变曲线；

图2c为σ₃为0.6MPa时的应力、应变曲线；

图2d为σ₃为0.8MPa时的应力、应变曲线。

图3为本发明利用DDA对粗粒土工程性质的数值仿真算法的流程图。

具体实施方式

根据图1a、b、图2a-d及图3所示，本发明利用DDA对粗粒土工程性质的数值仿真算法，根据粗粒土颗粒的特点，设计随机生成算法，随机生成凸多边形块体，块体的凹凸性，粒径大小都是可控的，其主要控制指标包括：块体的凹凸性、圆度、粒径等。利用DDA进行试样的制备处理，严格保证块体不相交，并且接触稳定，即要求块体与其周围其它块体相互之间处于接触关系，但是块体的任意角点都必须满足不嵌入其它块体内部，这样才能保证粗粒土模拟与实际的室内试验接近。

参照某一场地粗粒土现场取样获得的试验数据，进行块体的生成、试样的制备(图1)。图中分别为单级配块体集合(图1左)，以及多级配块体(图1右)。模拟其三轴试验条件(中华人民共和国行业标准SL237-1999《土工试验规程》。利用DDA模拟其试验过程，获得应力应变曲线。

将计算机仿真模拟和三轴试验所得应力-应变曲线进行对比，可以看出两种曲线的增长趋势比较接近，基本反映了粗粒土应力应变的变化规律，同时随着围压的增大，两种曲线接近的程度越高(图2)。

Claims

1.一种利用DDA对粗粒土工程性质的数值仿真算法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）二维凸多边形骨料的随机投放算法，先随机生成多边形，然后根据侵入判断，进行颗粒的投放，按照粗粒土室内试验要求，在预定投放区域内生成满足一定级配要求的多边形颗粒，颗粒的位置随机，边数、边长也随机，且颗粒间互不相交，从而生成松散分布的颗粒系统，经过堆积模拟，生成和实际接近的堆积体；

（2）参照室内三轴试验在试样的两侧加上柔性材料并离散为块体，顶部和底部加上刚性板；为了保持轴向压力垂直作用，顶部加荷板的两侧放置了刚性块，在两侧和顶部分别施加围压σ₃和轴压σ₁，所述围压σ₃分别为0.2、0.4、0.6、0.8MPa，试验荷载后，就可以应用DDA进行粗粒土力学试验的数值模拟，围压σ₃和轴压σ₁。

2.根据权利要求1所述的利用DDA对粗粒土工程性质的数值仿真算法，其特征在于：生成的多边形为随机任意多边形。

3.根据权利要求1所述的利用DDA对粗粒土工程性质的数值仿真算法，其特征在于：块体彼此之间紧密接触，但不会嵌入。