CN106290082A - 一种离散元组合颗粒及其离散元堆积试验模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种离散元组合颗粒及其离散元堆积试验模拟方法，包括各种球形度的Clump颗粒，所述的Clump颗粒为由单元球A、单元球B、单元球C和单元球D四个单元球构成，所述的单元球A、单元球B、单元球C的半径相等，所述的单元球A、单元球B、单元球C以圆周分布方式排列于单元球D的四周，且单元球A、单元球B、单元球C均与单元球D相切或相交，所述Clump颗粒的球形度n的取值为0.33≤n≤1。本发明采用离散元方法开发Clump颗粒并进行了堆积试验模拟，可根据颗粒球形度统计结果直接采用实际颗粒的摩擦系数在离散元中模拟砂土颗粒的力学特征，避免了传统圆球颗粒使用严重偏大摩擦系数的缺陷，更逼近实际砂土的力学特性。

Description

一种离散元组合颗粒及其离散元堆积试验模拟方法
技术领域
本发明涉及一种模拟颗粒和堆积试验模拟方法，特别是一种离散元组合颗粒及其离散元堆积试验模拟方法。
背景技术
离散元方法与有限元法等连续介质力学方法相比可以考虑土颗粒的散体特征，克服了宏观连续性假设，能够很好的用于求解土体非线性等问题，通常用于模拟散体介质的力学特性。对于散体介质——砂土的物理力学特性研究，现有的研究主要集中在颗粒粒径和级配对砂土宏观特性的影响，而颗粒粒径、级配及形状是影响砂土力学及变形特性的三个极其重要的参数，传统的离散元方法中通常采用圆球形颗粒模拟砂土，与实际砂土的不规则形状差别较大，离散元的圆球形颗粒很难实现颗粒的互锁现象，即圆球颗粒难以实现不规则形状天然砂土的咬合摩擦特性，通常采用增大摩擦系数使最后的模拟结果逼近室内试验，最终导致设置的摩擦系数远远超过实际值。此外，采用圆球颗粒模拟实际的砂土力学特性，受力过程中颗粒的咬合力与旋转角度明显小于非圆颗粒，与实际各种形状组合的土体颗粒受力机理差别较为显著，难以准确的从颗粒细观角度揭示砂土的受力机理。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对目前离散元纯圆颗粒模拟方法的不足，提供一种新的组合离散元组合颗粒及堆积试验模拟方法，能够更准确的模拟实际试验砂土颗粒堆积试验，有效反映砂土力学特性及实际颗粒特征，减少现有模拟试验工作量，弥补传统圆形颗粒模拟的不足，提高模拟的准确度。
解决上述技术问题的技术方案是：一种离散元组合颗粒，其特征在于：包括各种球形度的Clump颗粒，所述的Clump颗粒为由单元球A、单元球B、单元球C和单元球D四个单元球构成，所述的单元球A、单元球B、单元球C的半径相等，所述的单元球A、单元球B、单元球C以圆周分布方式排列于单元球D的四周，且单元球A、单元球B、单元球C均与单元球D相切或相交，所述Clump颗粒的球形度n的取值为0.33≤n≤1。
本发明的进一步技术方案是：所述的离散元组合颗粒为组合Clump颗粒或单一Clump颗粒，所述的组合Clump颗粒为包括多种不同球形度的Clump颗粒组合成的有多种外形的颗粒组合，所述的单一Clump颗粒为由1种球形度的Clump颗粒组合成的只有一种形状的颗粒组合。
所述Clump颗粒的球形度n为0.33，0.4，0.5，0.58，0.70，0.77，0.9或1.0中的1个、2个或多个。
本发明的进一步技术方案是：一种离散元组合颗粒的堆积试验模拟方法，包括以下步骤：（1）根据光学显微镜拍摄的实际试验砂土颗粒照片进行黑白二值化处理并提取出该实际试验砂土颗粒单元的几何参数，该几何参数包括球形度；
（2）根据步骤（1）中得到的实际试验砂土颗粒的几何参数为基础，建立一种离散元组合颗粒数值模型，该离散元组合颗粒包括各种球形度的Clump颗粒，所述的Clump颗粒为由单元球A、单元球B、单元球C和单元球D四个单元球构成，所述的单元球A、单元球B、单元球C的半径相等，所述的单元球A、单元球B、单元球C以圆周分布方式排列于单元球D的四周，且单元球A、单元球B、单元球C均与单元球D相切或相交，所述Clump颗粒的球形度n的取值为0.33≤n≤1；
（3）用离散元PFC3D方法建立上端开口下端闭合的漏斗模型，在漏斗下方处生成底部墙面模拟地面，并设置相应的细观参数；
（4）根据步骤（1）的参数首先生成对应球形度的离散元组合颗粒模板，然后根据体积等效与质量等效原则在漏斗上方生成与实际试验砂土颗粒体积一致的离散元组合颗粒，设置离散元组合颗粒细观参数并施加重力加速度为g＝-9.81m/ s2，然后开始循环计算，此时离散元组合颗粒在重力作用下逐渐沉积在漏斗内部，设置平衡条件并计算至初始平衡状态，在漏斗内部布置测量球测出离散元组合颗粒的平均接触数及孔隙率；
（5）删除步骤（4）中漏斗底部的闭合墙体使漏斗中的离散元组合颗粒逐渐下落直至漏斗下方的底部墙面上并形成稳定的颗粒堆积体；
（6）通过在步骤（5）中的颗粒堆积体中布置测量球可测得测量球范围内离散元组合颗粒的平均接触数及孔隙率，编写fish函数输出测量颗粒堆积体表面颗粒坐标以计算自然休止角；
（7）根据步骤（6）中布置在颗粒堆积体中的测量球，可实时获取离散元组合颗粒堆积体的孔隙率，通过改变颗粒的细观参数值，可实现求取颗粒堆积体的最大及最小孔隙率，亦可分别研究球形度n、颗粒摩擦系数、孔隙率、接触数、自然休止角等各参数的相互关系。
通过下述步骤计算自然休止角：（1）在完成步骤（5）中的堆积过程后将离散元组合颗粒球心坐标导出，对非锥顶和非锥脚区域用最小二乘法对颗粒堆积体表面曲线进行线性拟合，根据拟合直线的斜率求出砂土堆积体的自然休止角；
（2）颗粒堆积体通常呈现不对称状态，为消除方向选择对休止角测定结果的影响，从颗粒堆积体的x、y坐标轴正负四个方向选取表面坐标，并将拟合结果取均值作为颗粒堆积体的自然休止角。
所述的漏斗通过离散元PFC3D方法分两段建立漏斗模型，该漏斗的上部采用两端开口的圆筒墙生成的圆筒结构，圆筒直径为50mm，高度为55mm；漏斗下部采用上端开口下端闭口的圆锥墙生成的圆锥结构，圆锥上端直径为50mm，下端直径为20mm，圆锥高度为15mm，在距漏斗下端50mm处生成底部墙面模拟地面。
所述的离散元组合颗粒为组合Clump颗粒或单一Clump颗粒，所述的组合Clump颗粒为包括多种不同球形度的Clump颗粒组合成的有多种外形的颗粒组合，所述的单一Clump颗粒为由1种球形度的Clump颗粒组合成的只有一种形状的颗粒组合。
所述Clump颗粒的球形度n为0.33，0.4，0.5，0.58，0.70，0.77，0.9或1.0中的1个、2个或多个。
由于采用上述技术方案，本发明之一种离散元组合颗粒及其离散元堆积试验模拟方法，具有以下有益效果：
（1）本发明采用离散元方法开发组合颗粒并进行了堆积试验模拟，开发的离散元组合颗粒采取球形度n作为控制颗粒形状参数，不仅在外形上逼近实际砂土非圆颗粒特征，避免了传统圆球颗粒无法真实模拟砂土咬合的缺陷，而且可根据颗粒球形度统计结果直接采用实际颗粒的摩擦系数在离散元中模拟砂土颗粒的力学特征，避免了传统圆球颗粒使用严重偏大摩擦系数的缺陷，更逼近实际砂土的力学特性。
（2）本发明可以方便追踪砂土颗粒在堆积过程中的孔隙率及接触数变化，模拟的堆积体自然休止角可与室内实际试验砂土颗粒自然休止角相吻合，对传统散体颗粒的细观模拟研究方法进行了改进，能够弥补离散元中用圆球颗粒模拟不规则颗粒的不足，并且还能测出通过室内实际试验砂土颗粒堆积试验无法测出的其他参数，例如颗粒摩擦系数、孔隙率、接触数、等各参数的相互关系，为研究砂土特性的数值模拟提供了新的研究思路。
（3）本发明根据球形度生成的Clump颗粒试样最大及最小孔隙比均与室内实际试验砂土颗粒实测值基本一致，且能同时反应出颗粒间的摩擦作用及嵌锁效应，对实际试验或工程进行宏细观力学机理研究时，可采用球形度作为颗粒形状统计参数进行数值模拟。
（4）本发明开发的离散元组合颗粒，不仅可用于真实模拟砂土堆积试验，同时亦可用于砂土三轴试验和直剪试验，研究砂土在各种工况下的力学特性。利用组合颗粒进行离散元数值试验不仅能得到室内试验的宏观结果，而且还能通过分析组合颗粒的细观参数变化特征，从而可进一步探讨砂土受力特性的宏细观机理。
下面，结合说明书附图和具体实施例对本发明之一种离散元组合颗粒及其离散元堆积试验模拟方法的技术特征作进一步的说明。
附图说明
图1：本发明之Clump颗粒构造示意图及多种球形度不同的Clump颗粒对比示意图。
图2：本发明中离散元组合颗粒的堆积试验数值模拟过程示意图。
图2中（a）图为颗粒堆积试验图，（b）图为测量球布置图，（c）图为颗粒堆积体的自然休止角图。
图3：本发明的实施流程图。
图4：本发明的Clump颗粒试样的自然休止角统计结果。
图5：本发明的Clump颗粒试样的孔隙率统计结果。
图6：本发明的Clump颗粒试样的平均接触数。
图7：本实施例中组合Clump颗粒和单一Clump颗粒验证土样G的结果比较。
图7中（a）图为孔隙率对比图，（b）图为平均接触数对比图，（c）图为自然休止角对比图。
图8：本实施例中组合Clump颗粒结果拟合曲线。
图 9：土样G球形度分布图
在上述附图中，各标号说明如下：
1-1为单元球A，1-2为单元球B，1-3为单元球C，1-4为单元球D，1-5最大内切圆，1-6为最小外接圆，1-7为球形度n=0.33的Clump颗粒，1-8为球形度n=0.4的Clump颗粒，1-9为球形度n=0.5的Clump颗粒，1-10为球形度n=0.58的Clump颗粒，1-11为球形度n=0.7的Clump颗粒，1-12为球形度n=0.77的Clump颗粒，1-13为球形度n=0.9的Clump颗粒，1-14为球形度n=1的Clump颗粒。
2-1为漏斗模型，2-2为漏斗顶部开口，2-3为漏斗底部开口墙体，2-4为自然堆积Clump砂土颗粒，2-5为测量球，2-6为砂土自然休止角。
具体实施方式
一种离散元组合颗粒，包括各种球形度的Clump颗粒，所述的Clump颗粒为由单元球A、单元球B、单元球C和单元球D四个单元球构成，所述的单元球A、单元球B、单元球C的半径相等，所述的单元球A、单元球B、单元球C以圆周分布方式排列于单元球D的四周，且单元球A、单元球B、单元球C均与单元球D相切或相交，所述Clump颗粒的球形度n的取值为0.33≤n≤1。所述的离散元组合颗粒为组合Clump颗粒或单一Clump颗粒，所述的组合Clump颗粒为包括多种不同球形度的Clump颗粒组合成的有多种外形的颗粒组合，所述的单一Clump颗粒为由1种球形度的Clump颗粒组合成的只有一种形状的颗粒组合，所述离散元组合颗粒中的Clump颗粒的球形度n为0.33，0.4，0.5，0.58，0.70，0.77，0.9或1.0中的1个、2个或多个[如图1]，也可以为0.33≤n≤1范围内任意1个、2个或者多个球形度组合。当球形度n为0.33时所述的单元球A、单元球B和单元球C分别与单元球D相切，当球形度n为1.0时则所述的单元球A、单元球B、单元球C和单元球D四个单元球相互结合成一个圆球形颗粒。
一种离散元组合颗粒的堆积试验模拟方法，包括以下步骤：（1）根据光学显微镜拍摄的实际试验砂土颗粒照片进行黑白二值化处理并提取出该实际试验砂土颗粒单元的几何参数，该几何参数包括球形度。通过实际试验砂土颗粒堆积试验可测得实际试验砂土颗粒的自然休止角，室内砂土自然休止角测试方法主要采用冲击法，即将试样放置在漏斗中然后使其自由下落在方格纸上形成小锥体，通过测量其锥底面直径和锥顶高度以计算出自然休止角。
为对比验证本发明，室内砂土颗粒堆积试验中采用4种散粒为验证试验对象，材料E为纯圆玻璃颗粒，材料F、G、H为中-粗石英砂颗粒。将4种试样在光学显微镜下拍摄的照片用ImageJ软件进行黑白二值化处理，经分析后提取出颗粒单元的几何参数，具体形状参数如表1所示。
表1 各种颗粒基本尺寸参数
（2）根据步骤（1）中得到的实际试验砂土颗粒的几何参数为基础，建立一种离散元组合颗粒数值模型，而球形度为离散元组合颗粒外形参数，根据体积等效及质量等效原则以离散元组合颗粒代替实际试验砂土颗粒，以模拟不同球形度的试验砂土，颗粒间的接触选择线性接触模型。
（2.1）所述的离散元组合颗粒包括各种球形度的Clump颗粒，所述的Clump颗粒由单元球A、单元球B、单元球C和单元球D四个单元球构成，所述的单元球A、单元球B、单元球C的半径相等，所述的单元球A、单元球B、单元球C以圆周分布方式排列于单元球D的四周，且单元球A、单元球B、单元球C均与单元球D相切或相交，所述Clump颗粒的球形度n的取值为0.33≤n≤1；其中所述的球形度n（亦称球度）的定义为颗粒的形状与球体相似的程度，且n=最大内切圆半径/最小外接圆半径[如图1]。
（2.2）在生成Clump颗粒时，单元球A、单元球B、单元球C半径相等且不变，改变单元球D的半径大小可获得不同的球形度的Clump颗粒，根据室内实际试验砂土颗粒堆积试验的参数可选取Clump颗粒的球形度为0.33，0.4，0.5，0.58，0.70，0.77，0.9或1.0中的1个、2个或多个，分析颗粒球形度对散粒试样的宏细观物理力学特性的影响。所述的Clump颗粒的球形度n与各个单元球的半径取值关系可参见表2，设与Clump颗粒具有相等体积的圆球颗粒半径为1，对应的Clump颗粒的各个单元球半径可按表2选取。
表2 Clump颗粒的各个单元球的相对球半径
（3）用离散元PFC3D方法分两段建立漏斗模型。该漏斗的上部采用两端开口的圆筒墙生成的圆筒结构，圆筒直径为50mm，高度为55mm；漏斗下部采用上端开口下端闭口的圆锥墙生成的圆锥结构，圆锥上端直径为50mm，下端直径为20mm，圆锥高度为15mm。在距漏斗下端50mm处生成底部墙面模拟地面，并设置相应的细观参数；在漏斗下端开口生成的闭合墙体可防止漏斗中的Clump颗粒下落。
（4）根据步骤（1）的参数首先生成对应球形度的离散元组合颗粒模板，然后根据体积等效与质量等效原则在漏斗上方生成与实际试验砂土颗粒体积一致的各种球形度的离散元组合颗粒，设置离散元组合颗粒细观参数并施加重力加速度为g＝-9.81m/ s2，然后开始循环计算，此时离散元组合颗粒在重力作用下逐渐沉积在漏斗内部，设置平衡条件并计算至初始平衡状态，在漏斗内部布置测量球测出离散元组合颗粒的平均接触数及孔隙率；
（4.1）所述的离散元组合颗粒为组合Clump颗粒或单一Clump颗粒，所述的组合Clump颗粒为包括多种不同球形度的Clump颗粒组合成的有多种外形的颗粒组合，所述的单一Clump颗粒为由1种球形度的Clump颗粒组合成的只有一种形状的颗粒组合。
（5）删除步骤（4）中漏斗底部的闭合墙体使漏斗中的离散元组合颗粒逐渐下落直至漏斗下方的底部墙面上并形成稳定的颗粒堆积体[如图2(a)]。
（6）通过在步骤（5）中的颗粒堆积体中布置测量球[如图2(b)]可测得测量球范围内离散元组合颗粒的平均接触数及孔隙率，编写fish函数输出测量颗粒堆积体表面颗粒坐标以计算自然休止角[如图2(c)]。
（6.1）在完成步骤（5）中的堆积过程后将离散元组合颗粒球心坐标导出，对非锥顶和非锥脚区域用最小二乘法对颗粒堆积体表面曲线进行线性拟合，根据拟合直线的斜率求出砂土堆积体的自然休止角；
（6.2）颗粒堆积体通常呈现不对称状态，为消除方向选择对休止角测定结果的影响，从颗粒堆积体的x、y坐标轴正负四个方向选取表面坐标，并将拟合结果取均值作为颗粒堆积体的自然休止角。
（7）根据步骤（6）中布置在颗粒堆积体中的测量球，可实时获取离散元组合颗粒堆积体的孔隙率，通过改变颗粒的细观参数值，可实现求取颗粒堆积体的最大及最小孔隙率，亦可分别研究球形度n、颗粒摩擦系数、孔隙率、接触数、自然休止角等各参数的相互关系，见图4、图5、图6，可以发现堆积体颗粒球形度相同时，自然休止角和孔隙率随摩擦系数的增大而增加，平均接触数随摩擦系数的增大而减小；相同摩擦系数条件下，自然休止角随着颗粒球形度的减小而增加，平均接触数则与孔隙率呈现负相关关系。
表3为室内实际试验砂土颗粒堆积试验与离散元组合颗粒的堆积模拟试验的结果对比，根据表3结果发现，单一Clump颗粒（即单一球形度Clump颗粒，指的是球形度大小相同的clump颗粒）的最大、最小孔隙比均与室内试验结果接近。值得注意的是，数值模拟中最小孔隙比为理想光滑状态，颗粒与颗粒之间不存在摩擦，实际颗粒之间必然存在摩擦力，因而导致模拟的最小孔隙比均小于实际值，E组试样为光滑玻璃球颗粒，其摩擦力接近理想状态，故与模拟值最接近。球形度较大的E和F试样，模拟试验得到的最大孔隙比均略大于实际验证试验，球形度较小的G和H两组，模拟试验的最大孔隙比均略小于实际验证试验得到的值，此现象说明如采用单一Clump颗粒无法完全模拟实际颗粒。根据图9中对土样G的颗粒形状统计结果，将不同球形度的Clump颗粒进行组合构成组合Clump颗粒，组合Clump颗粒的最小孔隙比相对单一Clump颗粒有提高，最大孔隙比与实际最大孔隙比吻合，说明根据颗粒球形度统计方法能有效模拟实际砂土颗粒，即组合Clump颗粒更能有效模拟实际砂土颗粒。
表3室内试验与离散元组合颗粒数值模拟结果对比
颗粒形状及摩擦系数对堆积体自然休止角的影响：由图4可发现自然休止角随着颗粒球形度的减小而增加，其增加速率随球形度的减小而减小；自然休止角与摩擦系数存在正相关关系。
颗粒形状及摩擦系数对堆积体孔隙率的影响：由图5发现堆积体颗粒球形度相同时，孔隙率随摩擦系数的增大而增加，其增加速率与摩擦系数呈现负相关关系；堆积体在相同摩擦系数条件下，颗粒球形度的增加对孔隙率的影响表现出先减小后增加的趋势。当球形度小于0.5时，孔隙率随球形度增加而减小的主要原因为Clump颗粒单元球颗粒体积增加；球形度在0.5-0.7时，孔隙率的变化不大，此时单元球颗粒体积增加导致的孔隙率减小刚好与拱架结构孔隙的增加导致的孔隙率增加效应抵消；当球形度大于0.7后，孔隙率增加的主要原因为颗粒形成的拱架结构中孔隙增加；当球形度为0.9和1.0时，Clump颗粒形状已经类似球颗粒，下落后颗粒四处分散且难以形成稳定的堆积体，从而导致孔隙率的突变。
颗粒形状及摩擦系数对堆积体平均接触数的影响：在图6中，堆积体颗粒球形度相同时，平均接触数随摩擦系数的增大而减小，其减小速率与摩擦系数呈现负相关关系；堆积体在相同摩擦系数条件下，颗粒球形度的增加对平均接触数的影响表现出先增加后减少的趋势。对照图5和图6可以发现，颗粒的平均接触数与试样的密实程度有关，试样越松散颗粒与颗粒之间接触的数量越少，反之则平均接触数越多。
组合Clump颗粒对试验结果的影响：图7为组合Clump颗粒与单一Clump颗粒模拟验证土样G的对比结果（目的在于比较多种外形组合的砂土颗粒比单一形状组合的颗粒更符合实际砂土情况）。从图7中发现，组合Clump颗粒在相同试验条件下孔隙率、平均接触数和自然休止角均大于单一Clump颗粒，其中较为明显的是组合Clump颗粒平均接触数大于单一Clump颗粒的10%-20%。根据图9室内试验土样G球形度统计结果，球形度小于0.7的颗粒频数相对球形度大于0.7的颗粒较多，且小球形度对接触数的敏感度大于大球形度；图5已显示球形度为0.7时孔隙率为最小值，从而出现组合多种球形度颗粒后孔隙率增大；组合Clump颗粒由于颗粒形状上具备多样性，球形度较小的颗粒加强了颗粒之间的嵌固效应，从而增强了颗粒的咬合摩擦力，因而组合Clump颗粒的自然休止角增加。
从图8可以得到，采用组合Clump颗粒模拟土样G的自然休止角α与摩擦系数的关系可拟合为：
α = -34.492f 2 + 60.648f + 9.4278 （1）
式中α为自然休止角，f为摩擦系数，拟合相关系数R 2 为0.9788。
根据室内直剪试验结果土样G的稳定状态内摩擦角θ为31°，砂土的摩擦系数通常为f=tan(θ)，此时土样G的室内摩擦系数为0.6，代入拟合公式得模拟的自然休止角为α=33.41°。文献(范智杰, 屈建军, 周焕. 沙土内摩擦角与粒径、含水率及天然坡角的关系[J]. 中国沙漠, 2015, 35(2):301-305.)分别对7种粒径的砂土进行了堆积试验和直剪试验，发现砂土的自然休止角均略大于内摩擦角3°左右。该结果与本发明采用组合Clump颗粒进行数值模拟得出的结果相一致，说明采用组合Clump颗粒模拟方法可直接采用试样实测摩擦系数，验证了离散元组合颗粒模拟方法的可行性。

Claims (8)

1.一种离散元组合颗粒，其特征在于：包括各种球形度的Clump颗粒，所述的Clump颗粒为由单元球A、单元球B、单元球C和单元球D四个单元球构成，所述的单元球A、单元球B、单元球C的半径相等，所述的单元球A、单元球B、单元球C以圆周分布方式排列于单元球D的四周，且单元球A、单元球B、单元球C均与单元球D相切或相交，所述Clump颗粒的球形度n的取值为0.33≤n≤1。
2.根据权利要求1所述的一种离散元组合颗粒，其特征在于：所述的离散元组合颗粒为组合Clump颗粒或单一Clump颗粒，所述的组合Clump颗粒为包括多种不同球形度的Clump颗粒组合成的有多种外形的颗粒组合，所述的单一Clump颗粒为由1种球形度的Clump颗粒组合成的只有一种形状的颗粒组合。
3.根据权利要求2所述的一种离散元组合颗粒，其特征在于：所述Clump颗粒的球形度n为0.33，0.4，0.5，0.58，0.70，0.77，0.9或1.0中的1个、2个或多个。
4.一种离散元组合颗粒的堆积试验模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）根据光学显微镜拍摄的实际试验砂土颗粒照片进行黑白二值化处理并提取出该实际试验砂土颗粒单元的几何参数，该几何参数包括球形度；
（2）根据步骤（1）中得到的实际试验砂土颗粒的几何参数为基础，建立一种离散元组合颗粒数值模型，该离散元组合颗粒包括各种球形度的Clump颗粒，所述的Clump颗粒为由单元球A、单元球B、单元球C和单元球D四个单元球构成，所述的单元球A、单元球B、单元球C的半径相等，所述的单元球A、单元球B、单元球C以圆周分布方式排列于单元球D的四周，且单元球A、单元球B、单元球C均与单元球D相切或相交，所述Clump颗粒的球形度n的取值为0.33≤n≤1；
（3）用离散元PFC3D方法建立上端开口下端闭合的漏斗模型，在漏斗下方处生成底部墙面模拟地面，并设置相应的细观参数；
（4）根据步骤（1）的参数首先生成对应球形度的离散元组合颗粒模板，然后根据体积等效与质量等效原则在漏斗上方生成与实际试验砂土颗粒体积一致的离散元组合颗粒，设置离散元组合颗粒细观参数并施加重力加速度为g＝-9.81m/ s2，然后开始循环计算，此时离散元组合颗粒在重力作用下逐渐沉积在漏斗内部，设置平衡条件并计算至初始平衡状态，在漏斗内部布置测量球测出离散元组合颗粒的平均接触数及孔隙率；
（5）删除步骤（4）中漏斗底部的闭合墙体使漏斗中的离散元组合颗粒逐渐下落直至漏斗下方的底部墙面上并形成稳定的颗粒堆积体；
（6）通过在步骤（5）中的颗粒堆积体中布置测量球可测得测量球范围内离散元组合颗粒的平均接触数及孔隙率，编写fish函数输出测量颗粒堆积体表面颗粒坐标以计算自然休止角；
（7）根据步骤（6）中布置在颗粒堆积体中的测量球，可实时获取离散元组合颗粒堆积体的孔隙率，通过改变颗粒的细观参数值，可实现求取颗粒堆积体的最大及最小孔隙率，亦可分别研究球形度n、颗粒摩擦系数、孔隙率、接触数、自然休止角等各参数的相互关系。
5.根据权利要求4所述的一种离散元组合颗粒的堆积试验模拟方法，其特征在于：通过下述步骤计算自然休止角：（1）在完成步骤（5）中的堆积过程后将离散元组合颗粒球心坐标导出，对非锥顶和非锥脚区域用最小二乘法对颗粒堆积体表面曲线进行线性拟合，根据拟合直线的斜率求出砂土堆积体的自然休止角；
（2）颗粒堆积体通常呈现不对称状态，为消除方向选择对休止角测定结果的影响，从颗粒堆积体的x、y坐标轴正负四个方向选取表面坐标，并将拟合结果取均值作为颗粒堆积体的自然休止角。
6.根据权利要求4所述的一种离散元组合颗粒的堆积试验模拟方法，其特征在于：所述的漏斗通过离散元PFC3D方法分两段建立漏斗模型，该漏斗的上部采用两端开口的圆筒墙生成的圆筒结构，圆筒直径为50mm，高度为55mm；漏斗下部采用上端开口下端闭口的圆锥墙生成的圆锥结构，圆锥上端直径为50mm，下端直径为20mm，圆锥高度为15mm，在距漏斗下端50mm处生成底部墙面模拟地面。
7.根据权利要求4所述的一种离散元组合颗粒的堆积试验模拟方法，其特征在于：所述的离散元组合颗粒为组合Clump颗粒或单一Clump颗粒，所述的组合Clump颗粒为包括多种不同球形度的Clump颗粒组合成的有多种外形的颗粒组合，所述的单一Clump颗粒为由1种球形度的Clump颗粒组合成的只有一种形状的颗粒组合。
8.根据权利要求7所述的一种离散元组合颗粒的堆积试验模拟方法，其特征在于：所述Clump颗粒的球形度n为0.33，0.4，0.5，0.58，0.70，0.77，0.9或1.0中的1个、2个或多个。
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