CN109359416A - 一种反映真实工程土石混合体分布的颗粒流数值模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反映真实工程土石混合体分布的颗粒流数值模拟方法，该方法包括以下步骤：拍照获取工程现场土石混合体的真实图像；图像处理技术识别石块并提取其边界坐标；结合颗粒筛分及图像数据获得土石混合体的颗粒级配；试验测试土体、石块的强度及变形等参数；建立土石混合体颗粒流数值模型；标定颗粒流数值模型参数，开展土石混合体试件力学性质数值试验。本方法实施方便，可程序化智能建模，可克服试验尺寸限制，精度可满足工程要求，适用于土石混合体、混凝土等二元介质离散元模拟。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程及地质工程领域，具体是一种反映真实工程土石混合体分布的颗粒流数值模拟方法。
背景技术
土石混合体是地表第四纪沉积物的主要类型之一，特别是我国西部山区分布十分广泛，如常见的残积物、坡积物及洪积物等。另外，西南山区的填方工程十分普遍，如公路、铁路路基及机场等填方工程的填筑料大多为土石混合体。由于岩石和土体的物理力学性质差异性非常大，而且自然界土石混合体中石块的形态及大小多种多样、空间分布也非常杂乱，难以通过数学等理论方法描述土石混合体的结构特征。
由于土石混合体中含有大量不同尺度的石块，其剪切、压缩等力学性质很难通过室内试验的方法获得。现今工程界常通过现场试验开展土石混合体的力学性质测试，然而现场试验存在两个明显的不足：1)试件扰动性强。现场试验试件准备常通过开挖及切削等方法实现，当土样中含有较多不规则的石块时，试件制备过程中容易出现坑洞，很难形成平整的加载面。2)费用高，工时长，影响工程进度，试验结果离散。由于现场试验试件及试验准备工时长且需要大量的设备及人力，使得现场测试费用高，且占用现场场地而影响工程进度。因此现场试验样本数量一般很少，且土石混合体的力学性质测试结果常离散性大。而室内试验受用料的最大粒径限制，需要对超过试验容许最大粒径的土石料进行必要的缩尺处理，受缩尺效应影响，室内实验结果与真实性质存在一定差异。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种反映真实工程土石混合体分布的颗粒流数值模拟方法。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种反映真实工程土石混合体分布的颗粒流数值模拟方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤1、根据工程现场的土石混合体的物质组成特征，选取代表性采样窗口，通过正面拍照及尺寸标定技术获得采样窗口中的土石混合体的真实图像；采用土石分界粒径的理论公式获得真实图像中土石混合体的土石分界粒径；
步骤2、根据真实图像利用二值图像处理技术得到二值图像，识别二值图像中的石块并提取石块边界轮廓关键点像元坐标；
步骤3、在工程现场选取真实土石混合体，通过颗粒筛分，确定小于土石分界粒径的土体级配特征；对步骤2得到的二值图像进行分析，提取石块面积和石块等效尺寸，确定大于土石分界粒径的石块级配特征；再将两种级配特征组合，得到土石混合体的整个级配曲线；
步骤4、采用经过步骤3筛分后的小于土石分界粒径的土石混合体制备重塑土试样，并对重塑土进行力学试验，得到重塑土的强度及变形参数；根据步骤2得到的石块边界轮廓关键点像元坐标，在PFC软件中对石块进行重构，进而在石块中填充石块材料颗粒单元，从而建立土石混合体中石块数值模型；再在石块与石块之间的空隙填充土体材料颗粒单元，得到土石混合体的颗粒流数值模型；
步骤5、选取颗粒接触本构模型，并通过数值试验标定土体和石块的颗粒接触细观参数，开展土石混合体试件的压缩和剪切数值试验。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
1、适用范围广：本方法的核心贡献是建立了快速准确地提取二元复杂结构体的几何信息方法及将二元结构(如土石混合体中土体和石块)一分为二的研究思路，适用于土石混合体、混凝土等二元结构的数值建模及力学性质研究。
2、快速且低成本：本方法采用图像信息建模及颗粒流数值模拟的方法，既不影响工程施工也无现场测试等费用，图像处理及数值模拟技术均为计算机程序化，因此快速且低成本。
3、高精度大样本仿真模拟：本方法通过现场照片的图像识别技术确定石块边界；将分别试验测试的土体、石块物理力学参数应用于数值模拟体现了二元结构的物理力学性质的差异性；数值模拟可以开展大量样本的数值试验，有利于更加准确地统计其力学性质。
4、本方法所述级配获取方法避免了现场大型颗分试验，仅需现场拍照即可，避免了现场大型颗分试验的高成本以及试验对施工过程的影响。
5、采用大尺度数值模型研究大型土石混合体试件的力学性质，克服了室内试验试件尺寸的限制，避免了缩尺效应。
6、本方法实施方便，可程序化智能建模，可克服试验尺寸限制，精度可满足工程要求，适用于土石混合体、混凝土等二元介质离散元模拟。
附图说明
图1为本发明反映真实工程土石混合体分布的颗粒流数值模拟方法一种实施例的采样窗口中的土石混合体的真实图像；
图2为本发明反映真实工程土石混合体分布的颗粒流数值模拟方法一种实施例的采样窗口中的土石混合体的二值图像；
图3为本发明反映真实工程土石混合体分布的颗粒流数值模拟方法一种实施例的二值图像石块边界示意图；
图4为本发明反映真实工程土石混合体分布的颗粒流数值模拟方法一种实施例的石块数值模型图；
图5为本发明反映真实工程土石混合体分布的颗粒流数值模拟方法一种实施例的土石混合体的颗粒流数值模型图；
图6为本发明反映真实工程土石混合体分布的颗粒流数值模拟方法一种实施例的石块级配曲线图；
图7为本发明反映真实工程土石混合体分布的颗粒流数值模拟方法一种实施例的土体级配曲线图；
图8为本发明反映真实工程土石混合体分布的颗粒流数值模拟方法一种实施例的土石混合体试件在受力达到应力-应变曲线屈服点时的图像；
图9为本发明反映真实工程土石混合体分布的颗粒流数值模拟方法一种实施例的土石混合体试件在受力达到应力-应变曲线峰值点时的图像；
图10为本发明反映真实工程土石混合体分布的颗粒流数值模拟方法一种实施例的土石混合体试件在受力达到应力-应变曲线峰后段时的图像；
(图中：1、石块；2、土体；3、采样窗口；4、石块边界；5、石块材料颗粒单元；6、土体材料颗粒单元；7、十字标尺)
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供了一种反映真实工程土石混合体分布的颗粒流数值模拟方法(简称方法)，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤1、根据工程现场的土石混合体的物质组成特征，对工程现场进行调查测绘，必要时可挖探坑，选取代表性采样窗口，通过正面拍照及尺寸标定技术获得采样窗口中的土石混合体的真实图像(如图1)；采用土石分界粒径的理论公式获得真实图像中土石混合体的土石分界粒径；
步骤2、根据真实图像利用二值图像处理技术得到二值图像，识别二值图像中的石块并提取石块边界轮廓关键点像元坐标(如图2和3)；
步骤3、在工程现场选取真实土石混合体，通过颗粒筛分，确定小于土石分界粒径的土体级配特征(如图7，包括了5个采样窗口的数据)；对步骤2得到的二值图像进行分析，提取石块面积和石块等效尺寸，确定大于土石分界粒径的石块级配特征(如图6，包括了8个采样窗口的数据，发现石块级配大致可以分为三组)；再将通过不同途径得到的两种级配特征组合，得到土石混合体的整个级配曲线；
步骤4、采用经过步骤3筛分后的小于土石分界粒径的土石混合体制备重塑土试样，并对重塑土进行力学试验，得到重塑土的强度及变形参数；根据步骤2得到的石块边界轮廓关键点像元坐标，在PFC(Particle Flow Code)软件中对石块进行重构，进而在石块中填充石块材料颗粒单元5，从而建立土石混合体中石块数值模型(如图4)；再在石块与石块之间的空隙填充土体材料颗粒单元6，得到土石混合体的颗粒流数值模型(如图5)；
步骤5、选取颗粒接触本构模型，并通过数值试验标定颗粒接触本构模型的土体和石块的颗粒接触细观参数，开展土石混合体试件的压缩和剪切数值试验等模拟。
步骤1中，正面拍照是指相机镜头垂直于拍照面；尺寸标定技术采用互相正交的十字标尺7平放于采样面内进行标定；采样窗口3为长方形或正方形，表面尽量平整，采样窗口特征尺寸大于最大石块尺寸的10倍；当采样窗口为长方形时，特征尺寸为短边长度；当采样窗口为正方形时，特征尺寸为边长；土石分界粒径的理论公式为d0＝0.05Lc，d0为土石分界粒径，Lc为采样窗口(即模型区域)特征尺寸。
步骤2中，因为石块1和土体2具有不同的灰度值，利于二值图像中像素点的像素坐标和灰度值提取石块边界4；通过像素点间距与图像中的颗粒边界真实尺寸的比例关系式完成像素尺寸到真实尺寸的转化，统计即可得到石块在采样窗口内所占面积(即含量)；
步骤3中，石块等效尺寸是指二值图像中石块的等面积圆的直径。
步骤4中，小于土石分界粒径的重塑土试样应与工程实际的密度一致，通过重塑土剪切、三轴压缩与土石混合体中所包含的各类石块的剪切及单轴压缩试验测试土体和石块的剪切强度、压缩强度、变形参数和其变形破坏演化过程。
步骤5中，选择颗粒接触本构模型采用可传递力和力矩的平行粘接模型；需要标定的细观参数包括颗粒密度、颗粒粒径、接触刚度、粘结强度及摩擦系数。如图8-图10显示了在法向应力800kPa作用下直剪试件的剪切破坏过程(图中空白处代表已破坏)，并且测得其抗剪强度参数为摩擦角41.3°、粘聚力73.4kPa。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (7)
1.一种反映真实工程土石混合体分布的颗粒流数值模拟方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤1、根据工程现场的土石混合体的物质组成特征，选取代表性采样窗口，通过正面拍照及尺寸标定技术获得采样窗口中的土石混合体的真实图像；采用土石分界粒径的理论公式获得真实图像中土石混合体的土石分界粒径；
步骤2、根据真实图像利用二值图像处理技术得到二值图像，识别二值图像中的石块并提取石块边界轮廓关键点像元坐标；
步骤3、在工程现场选取真实土石混合体，通过颗粒筛分，确定小于土石分界粒径的土体级配特征；对步骤2得到的二值图像进行分析，提取石块面积和石块等效尺寸，确定大于土石分界粒径的石块级配特征；再将两种级配特征组合，得到土石混合体的整个级配曲线；
步骤4、采用经过步骤3筛分后的小于土石分界粒径的土石混合体制备重塑土试样，并对重塑土进行力学试验，得到重塑土的强度及变形参数；根据步骤2得到的石块边界轮廓关键点像元坐标，在PFC软件中对石块进行重构，进而在石块中填充石块材料颗粒单元，从而建立土石混合体中石块数值模型；再在石块与石块之间的空隙填充土体材料颗粒单元，得到土石混合体的颗粒流数值模型；
步骤5、选取颗粒接触本构模型，并通过数值试验标定土体和石块的颗粒接触细观参数，开展土石混合体试件的压缩和剪切数值试验。
2.根据权利要求1所述的反映真实工程土石混合体分布的颗粒流数值模拟方法，其特征在于步骤1中，正面拍照是指相机镜头垂直于拍照面；尺寸标定技术采用互相正交的十字标尺平放于采样面内进行标定。
3.根据权利要求1所述的反映真实工程土石混合体分布的颗粒流数值模拟方法，其特征在于步骤1中，采样窗口为长方形或正方形，表面平整，采样窗口特征尺寸大于最大石块尺寸的10倍；当采样窗口为长方形时，特征尺寸为短边长度；当采样窗口为正方形时，特征尺寸为边长。
4.根据权利要求1所述的反映真实工程土石混合体分布的颗粒流数值模拟方法，其特征在于步骤1中，土石分界粒径的理论公式为d0＝0.05Lc，d0为土石分界粒径，Lc为采样窗口特征尺寸。
5.根据权利要求1所述的反映真实工程土石混合体分布的颗粒流数值模拟方法，其特征在于步骤3中，石块等效尺寸是指二值图像中石块的等面积圆的直径。
6.根据权利要求1所述的反映真实工程土石混合体分布的颗粒流数值模拟方法，其特征在于步骤5中，颗粒接触本构模型采用可传递力和力矩的平行粘接模型。
7.根据权利要求1所述的反映真实工程土石混合体分布的颗粒流数值模拟方法，其特征在于步骤5中，需要标定的细观参数包括颗粒密度、颗粒粒径、接触刚度、粘结强度及摩擦系数。
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