CN108491677A - 基于改进最大球法的微观孔隙模型的孔隙特征统计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于改进最大球法的微观孔隙模型的孔隙特征统计方法，属于岩土工程技术领域，包括以下步骤：S01，建立颗粒堆积模型，输出堆积颗粒信息；S02，用体素颗粒填充颗粒堆积模型的孔隙空间；S03，采用改进最大球法对孔隙空间的孔隙进行合理划分；S04，统计孔隙特性，孔隙特性包括孔隙体积、喉道半径和孔隙配位数；S05，进行孔隙可视化，生成孔隙结构模型。本发明提供的基于改进最大球法的微观孔隙模型的孔隙特征统计方法，相对于试验方法，数值模拟具有重复性强，不受仪器尺寸限制，成本较低，能全面统计各类孔隙特性的优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于改进最大球法的微观孔隙模型的孔隙特征统计方法，尤其涉及一种基于改进最大球法的PFC3D颗粒堆积模型孔隙特征统计方法，属于岩土工程技术领域。
背景技术
土体微观结构特性决定了其宏观工程性质，从微观角度认识和了解土体内部结构特性，对从机理上理解和分析土体宏观工程性质及其行为特征有重要意义。岩土体是天然的多孔松散材料，其内部包含大量不规则的孔隙。这些孔隙的大小和分布对岩土体的渗透性、持水特性、变形与强度特性等有直接影响。因此，研究岩土体的孔隙特性将有助于对从微观角度深入认识并揭示其工程特性及变化规律，进而为工程设计优化和运行安全服务。
孔隙是一系列被曲面围成的空几何体，将这些空几何体从土介质中提取出来建立孔隙结构模型是分析孔隙结构特征的基础，而三维孔隙结构的获取比较困难。目前对于土体孔隙的研究多采用试验方法且基于图像扫描技术，如CT扫描、切片扫描。其中切片扫描将试样沿一定方向切出一系列薄片并按顺序编号，使用放大系统如电子显微镜（SEM）按顺序对切片进行扫描成像。这种方法实质上是通过将切片获取的二维孔隙结构按一定顺序重塑，从而获取三维孔隙结构模型。这种方法要求制样时十分小心，尽量避免试样的扰动，注意切片表层的完整且相邻两切片之间的间距不宜过大以免造成空间上的不连续，因此这种试验方法的时间成本较高，且对制样操作的要求较高。CT扫描是一种无损的成像技术，能获得土体微观孔隙结构的图像，将图像传输到计算机上，通过图像处理软件设置一定阈值，使图像转换为二值化图像，就可以获得孔隙数目、大小、形状、位置等信息，这种方法不会破坏试样的孔隙结构和骨架，可以很方便地获得微米级无损孔隙结构，但试验设备昂贵且分辨率要求越高仪器费用就越高。但是图像扫描受制样质量和试验设备的影响较大，扫描出的图像受图像处理技术的限制，且试验费用过高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于改进最大球法的微观孔隙模型的孔隙特征统计方法，该法相对于试验方法，数值模拟具有重复性强，不受仪器尺寸限制，成本较低，能全面统计各类孔隙特性的优势，本法采用数值模拟方法建立颗粒堆积模型，基于改进最大球法，实现孔隙特征的统计并采用PFC3D软件实现了孔隙可视化。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
基于改进最大球法的微观孔隙模型的孔隙特征统计方法，采用体素化的方法建立了孔隙结构模型，将最大球算法和膨胀算法结合起来将孔隙空间划分为小孔隙，对小孔隙进行一系列后处理之后进行微观孔隙特征统计，实现孔隙的可视化，具体包括以下步骤：
S01，建立颗粒堆积模型，输出堆积颗粒信息；
S02，用体素颗粒填充颗粒堆积模型的孔隙空间；
S03，采用改进最大球法对孔隙空间的孔隙进行合理划分；
S04，统计孔隙特性，孔隙特性包括孔隙体积、喉道半径和孔隙配位数；
S05，进行孔隙可视化，生成孔隙结构模型。
S01中的颗粒堆积模型由PFC3D软件建立。
S01中的堆积颗粒信息是指：各堆积颗粒的所在位置（球心坐标）、颗粒尺寸（半径）等信息。
S02中，首先通过几何距离运算来判断体素颗粒与堆积颗粒间的相对位置，生成处于颗粒堆积模型的孔隙空间内的体素颗粒，从而将孔隙空间用体素颗粒填充。
S03中，改进最大球法由最大球算法和膨胀算法组成，首先采用最大球算法对孔隙空间进行初步划分，将孔隙空间划分为若干小孔隙并建立孔隙-喉道-孔隙链路，再采用膨胀算法使小孔隙进行膨胀将孔隙间的喉道侵蚀掉，从而实现孔隙空间的完全划分。
S04中，孔隙体积通过统计体素颗粒数量来获得，每个球形体素颗粒的体积按照其外接正方体的体积8r3来记录，r为球形体素颗粒的半径。采用等效孔径分布曲线来描述孔隙大小分布特征，等效孔径是指与孔隙体积相等的球直径，等效孔径分布类似于颗粒级配，是孔隙的等效球直径与其孔隙大小、含量的定量表征形式，等效孔径可由孔隙体积计算得出。
S04中，喉道被定义两孔隙边界处连接这两孔隙的无长度虚拟喉道，喉道半径由两孔隙边界体素颗粒的最大球半径进行比较获得。
S04中，孔隙配位数是指与某孔隙相连通的周围孔隙的数目，反映了孔隙间的相对位置及连通程度。
S05中，孔隙可视化是通过PFC3D软件对不同孔隙的体素颗粒进行分组并设置不同颜色实现的。
有益效果：本发明提供的改进最大球法和孔隙特征统计方法可视化程度高，操作方便，模型转换速度较快，代码全自动生成，重复性强，不受仪器尺寸限制，成本较低，可有效地、高效地实现三维离散元颗粒堆积模型孔隙特征的统计，为进一步研究土体的孔隙结构提供了理论工具。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2 为本发明中立方体颗粒堆积模型结构示意图；
图3 为本发明中立方体堆积孔隙模型结构示意图；
图4 为本发明中orthorhombic颗粒堆积模型结构示意图；
图5为本发明中 orthorhombic堆积孔隙模型结构示意图；
图6为本发明中随机颗粒堆积模型结构示意图；
图7 为本发明中随机堆积孔隙模型结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1~图7所示，基于改进最大球法的微观孔隙模型的孔隙特征统计方法，采用体素化的方法建立了孔隙结构模型，将最大球算法和膨胀算法结合起来将孔隙空间划分为小孔隙，对小孔隙进行一系列后处理之后进行微观孔隙特征统计，实现孔隙的可视化，具体包括以下步骤：
（1）建立颗粒堆积模型，输出堆积颗粒信息；
（2）用体素颗粒填充颗粒堆积模型的孔隙空间；
（3）采用改进最大球法对孔隙进行合理划分；
（4）统计孔隙特性（如孔隙体积、喉道半径、孔隙配位数）；
（5）进行孔隙可视化，生成孔隙结构模型。
所述的步骤（1）中颗粒堆积模型由PFC3D软件建立；
所述的步骤（2）中体素颗粒首先通过几何距离运算来判断体素颗粒与堆积颗粒间的相对位置，生成处于孔隙空间内的体素颗粒，从而将孔隙空间用体素颗粒填充；
所述的步骤（3）中改进最大球法由最大球算法和膨胀算法组成，首先采用最大球算法对孔隙空间进行初步划分，将孔隙空间划分为若干小孔隙并建立孔隙-喉道-孔隙链路，再采用膨胀算法使小孔隙进行膨胀将孔隙间的喉道侵蚀掉从而实现孔隙空间的完全划分；
所述的步骤（4）中孔隙体积通过统计体素数量来获得，每个球形体素颗粒的体积按照其外接正方体的体积8r3来记录（r为球形体素颗粒的半径），采用等效孔径分布曲线来描述孔隙大小分布特征，等效孔径是指与孔隙体积相等的球直径，等效孔径分布类似于颗粒级配，是孔隙的等效球直径与其孔隙大小、含量的定量表征形式，等效孔径可由孔隙体积计算得出，喉道被定义两孔隙边界处连接这两孔隙的无长度虚拟喉道，喉道半径可由两孔隙边界体素的最大球半径进行比较获得，孔隙配位数是指与某孔隙相连通的周围孔隙的数目，反映了孔隙间的相对位置及连通程度。
所述的步骤（5）中孔隙可视化是通过PFC3D软件对不同孔隙的体素颗粒进行分组并设置不同颜色实现的。
采用本实施例对两种规则堆积模型（立方体颗粒堆积模型和orthorhombic颗粒堆积模型）和随机颗粒堆积模型采用改进最大球法进行处理。其中对orthorhombic颗粒堆积模型删除了边界孔隙，仅生成内部孔隙。
orthorhombic颗粒堆积模型是一种不同于立方体颗粒堆积的特殊堆积方式，中文可称为“斜方颗粒堆积模型”。
本实施例是基于PFC3D软件和Microsoft Visual Studio 2010平台上的C语言开发的。在PFC3D软件所建立的颗粒堆积模型的基础上，颗粒堆积模型和孔隙模型的生成主要是由PFC3D5.0实现的，而使用改进最大球法对孔隙进行划分以及相关孔隙特性的统计是由C语言实现的。
本实施例提供的改进最大球法和孔隙特征统计方法可视化程度高，操作方便，模型转换速度较快，代码全自动生成，重复性强，不受仪器尺寸限制，成本较低，可有效地、高效地实现三维离散元颗粒堆积模型孔隙特征的统计，为进一步研究土体的孔隙结构提供了理论工具。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.基于改进最大球法的微观孔隙模型的孔隙特征统计方法，其特征在于：包括以下步骤：
S01，建立颗粒堆积模型，输出堆积颗粒信息；
S02，用体素颗粒填充颗粒堆积模型的孔隙空间；
S03，采用改进最大球法对孔隙空间的孔隙进行合理划分；
S04，统计孔隙特性，孔隙特性包括孔隙体积、喉道半径和孔隙配位数；
S05，进行孔隙可视化，生成孔隙结构模型。
2.根据权利要求1所述的基于改进最大球法的微观孔隙模型的孔隙特征统计方法，其特征在于：S01中的颗粒堆积模型由PFC3D软件建立。
3.根据权利要求1所述的基于改进最大球法的微观孔隙模型的孔隙特征统计方法，其特征在于：S02中，首先通过几何距离运算来判断体素颗粒与堆积颗粒间的相对位置，生成处于颗粒堆积模型的孔隙空间内的体素颗粒，从而将孔隙空间用体素颗粒填充。
4.根据权利要求1所述的基于改进最大球法的微观孔隙模型的孔隙特征统计方法，其特征在于：S03中，改进最大球法由最大球算法和膨胀算法组成，首先采用最大球算法对孔隙空间进行初步划分，将孔隙空间划分为若干小孔隙并建立孔隙-喉道-孔隙链路，再采用膨胀算法使小孔隙进行膨胀将孔隙间的喉道侵蚀掉，从而实现孔隙空间的完全划分。
5.根据权利要求1所述的基于改进最大球法的微观孔隙模型的孔隙特征统计方法，其特征在于：S04中，孔隙体积通过统计体素颗粒数量来获得，每个球形体素颗粒的体积按照其外接正方体的体积8r3来记录，r为球形体素颗粒的半径。
6.根据权利要求1所述的基于改进最大球法的微观孔隙模型的孔隙特征统计方法，其特征在于：S04中，喉道被定义两孔隙边界处连接这两孔隙的无长度虚拟喉道，喉道半径由两孔隙边界体素颗粒的最大球半径进行比较获得。
7.根据权利要求1所述的基于改进最大球法的微观孔隙模型的孔隙特征统计方法，其特征在于：S04中，孔隙配位数是指与某孔隙相连通的周围孔隙的数目，反映了孔隙间的相对位置及连通程度。
8.根据权利要求1所述的基于改进最大球法的微观孔隙模型的孔隙特征统计方法，其特征在于：S05中，孔隙可视化是通过PFC3D软件对不同孔隙的体素颗粒进行分组并设置不同颜色实现的。
9.根据权利要求5所述的基于改进最大球法的微观孔隙模型的孔隙特征统计方法，其特征在于：采用等效孔径分布曲线来描述孔隙大小分布特征，等效孔径是指与孔隙体积相等的球直径，等效孔径分布类似于颗粒级配，是孔隙的等效球直径与其孔隙大小、含量的定量表征形式，等效孔径可由孔隙体积计算得出。
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