CN110502825A - 一种提取三维破裂面的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提取三维破裂面的方法，包括以下步骤：基于离散元原理构建不同尺寸的三维颗粒模型，记录施加压力前模型中颗粒的初始状态信息；实现复杂路径下的岩土质材料加卸荷试验，提取模型加卸荷过程中所有颗粒的状态信息；筛选并移除速度方向与加载/卸载方向相同或相反的颗粒；通过颗粒流间运动方向或相对位移角度进一步筛选颗粒；提取筛选后颗粒的状态信息，重构岩样试验后的破裂面；本发明方法巧妙的设置筛选位移、位移角度、速度筛选条件，能快速得到目标颗粒，提取颗粒坐标经过拉格朗日插值算法可重构岩样试验后的破裂面，实现离散元加卸荷试验后破裂面的提取，用于后续的信息特征。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种提取三维破裂面的方法。
背景技术
岩土体变形破坏过程一直是岩土工程中的重要研究课题。基于离散元原理可以解决如岩土体等不连续、非均质介质问题，通过数值模拟的方式模拟岩土体内部的大位移、变形与破坏，得到较为真实的岩土体非线性变形破坏过程特征。而破裂面是岩土体变形破坏过程的客观表达，蕴含着丰富的变形过程信息。
室内试验中对破裂面信息的提取一般采用激光扫描或者光学扫描等方式，通过对破裂面特征的重构，进一步给出破裂面与破坏过程间的内在联系，为岩土体变形破坏过程的研究提供依据。由于岩土体材料非均质特性和试验条件的客观限制，破裂面的室内试验无法大量重复，而离散元模型试验通过赋予接触颗粒间受力、位移、速度、加速度等，将离散元颗粒体集合成特定的岩土体材料。
现有的离散元模型无法直接给出破裂面，更不用说有效提取破裂面蕴含的破坏信息。因此，提出一种基于离散元原理的加卸荷仿真实验后岩土质材料破裂面特征提取方法，以满足对破裂面信息的提取需求，进一步支持复杂岩体变形破坏过程的研究。
发明内容
为了解决现有加卸荷仿真试验对试验后破裂面蕴含信息提取的不足问题。本方法提出一种提取三维破裂面的方法。通过构建不同尺寸的三维颗粒模型，记录施加压力前、加卸荷后模型中颗粒的状态信息，多次对比筛选与设置条件相符的颗粒，从而提取计算生成得到破裂面。
本发明的技术方案为：一种提取三维破裂面的方法，包括以下步骤：
(1)基于离散元原理构建不同尺寸的三维颗粒模型，记录施加压力前模型中颗粒的初始状态信息，初始状态信息具体包括位置、位移、速度；
(2)实现复杂路径下的岩土质材料加卸荷试验，提取模型加卸荷过程中所有颗粒的状态信息；
(3)筛选并移除速度方向与加载/卸载方向相同或相反的颗粒；
(4)通过颗粒流间运动方向或相对位移角度进一步筛选颗粒；
(5)提取筛选后颗粒的状态信息，重构岩样试验后的破裂面。
进一步地，所述步骤(1)的具体步骤为：
(1.1)基于颗粒流原理建立岩土质材料三维模型边界，包括圆柱体、长方体、立方体；
(1.2)生成球形自由径颗粒或多个颗粒组成的颗粒组；
(1.3)记录模型内颗粒的状态信息，将其放入不同的数组矩阵；其中，模型内颗粒的状态信息包括初始空间位置、初始位移、初始速度。
进一步地，所述步骤(2)的具体步骤为：
(2.1)通过虚拟边界墙体的位移或速度控制模型载荷的加卸载，进而实现不同工况下岩土体的加卸荷破坏虚拟仿真；
(2.2)加卸荷过程全程记录模型内所有颗粒在不同时间步下的状态信息，将其分别放入不同的数组矩阵；其中，所有颗粒在不同时间步下的状态信息包括空间位置、位移、速度。
进一步地，所述步骤(3)的具体步骤为：
(3.1)将试验后颗粒的速度信息与初始状态下边界墙的速度信息进行对比，计算出加卸荷试验后所有颗粒与加载边界墙的位移矢量方向差；
(3.2)试验后的颗粒模型进行速度矢量方向差的第一次筛选，删除掉方向差为0°或者180°的颗粒；完成第一次筛选。
进一步地，所述步骤(4)的具体步骤为：
(4.1)将试验后颗粒的位置信息与初始状态下颗粒的位置信息进行对比，计算出第一次筛选后所有颗粒试验前后的位移量差；
(4.2)对第一次筛选后的颗粒模型进行位移量差的第二次筛选，删除掉特定位移量的颗粒；完成第二次筛选。
(4.3)将试验后颗粒的位置信息进行对比，对一定范围内的颗粒进行位移矢量方向对比；完成第三次筛选。
进一步地，所述步骤(5)的具体步骤为：
(5.1)对筛选后的颗粒，以Pi(x,y,z)形式输出颗粒的空间坐标信息以及颗粒的半径信息；
(5.2)利用拉格朗日插值算法拟合坐标形成破裂面，重现岩土质材料三维破裂面。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明方法巧妙的设置筛选位移、位移角度、速度筛选条件，能快速得到目标颗粒，提取颗粒坐标经过拉格朗日插值算法可重构岩样试验后的破裂面，实现离散元加卸荷试验后破裂面的提取，用于后续的信息特征。
(2)数值仿真是岩土体力学性质研究的有效补充方式，破裂面蕴含着岩样加卸荷破坏的重要信息，当前加卸荷数值仿真破坏后破裂面无法进行有效的定量分析，本发明可以提供一种有效的分析手段。
(3)岩样加卸荷破坏后会出现主裂纹和多条次生裂纹，本发明提供一种筛选方法，筛选出影响岩样破坏的近似主裂纹。
(4)筛选后的近似主裂纹由大量颗粒组成，为便于定量分析主裂纹特征，本发明可以将主裂纹转换成近似破裂面进行特征分析。
附图说明
图1是本发明实施例的生成颗粒后的初始模型；
图2是本发明实施例的一定加卸载路径下破坏后的岩样；
图3～6是本发明实施例的不同筛选条件得到的模型裂纹带；
图7是本发明实施例的筛选后颗粒裂纹带进一步插值得到的破裂面。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方法不限于此。
实施例：一种提取三维破裂面的方法，包括以下步骤：
(1)基于离散元原理构建不同尺寸的三维颗粒模型，记录施加压力前模型中颗粒的初始状态信息，初始状态信息具体包括位置、位移、速度；具体步骤为：
(1.1)基于颗粒流原理建立岩土质材料三维模型边界，如图1所述生成立方体虚拟墙；
(1.2)生成球形自由径颗粒或多个颗粒组成的颗粒组；
(1.3)记录模型图1中立方体虚拟墙内颗粒的状态信息，将其放入不同的数组矩阵A；其中，模型内颗粒的状态信息包括初始空间位置、初始位移、初始速度；
(2)实现复杂路径下的岩土质材料加卸荷试验，提取模型加卸荷过程中所有颗粒的状态信息；具体步骤为：
(2.1)通过虚拟边界墙体的位移或速度控制模型载荷的加卸载，进而实现不同工况下岩土体的加卸荷破坏虚拟仿真；如图2所示，此时试样模型内出现大量裂纹，包括主裂纹以及次生裂纹；
(2.2)加卸荷过程全程记录模型内所有颗粒在不同时间步下的状态信息，将其分别放入不同的数组矩阵B；其中，所有颗粒在不同时间步下的状态信息包括空间位置、位移、速度
(3)筛选并移除速度方向与加载/卸载方向相同或相反的颗粒；具体步骤为：
(3.1)将图2中试验后颗粒的速度信息与图1中初始状态下边界墙的速度信息进行对比，计算出加卸荷试验后所有颗粒与加载边界墙的位移矢量方向差；
(3.2)试验后的颗粒模型进行速度矢量方向差的第一次筛选，删除掉方向差为0°或者180°的颗粒；如图3所示，完成第一次筛选；
(4)通过颗粒流间运动方向或相对位移角度进一步筛选颗粒；具体步骤为：
(4.1)将试验后颗粒的位置信息与初始状态下颗粒的位置信息进行对比，计算出第一次筛选后所有颗粒试验前后的位移量差；
(4.2)对第一次筛选后的颗粒模型进行位移量差的第二次筛选，删除掉特定位移量的颗粒；如图4所示，完成第二次筛选；
(4.3)将试验后颗粒的位置信息进行对比，对一定范围内的颗粒进行位移矢量方向对比；如图5、6所示，完成第三次筛选；
(5)提取筛选后颗粒的状态信息，重构岩样试验后的破裂面；具体步骤为：
(5.1)对图6中筛选后的颗粒，以Pi(x,y,z)形式输出颗粒的空间坐标信息以及颗粒的半径信息；
(5.2)如图7所示，利用拉格朗日插值算法拟合坐标形成破裂面，重现岩土质材料三维破裂面。
Claims (6)
1.一种提取三维破裂面的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)基于离散元原理构建不同尺寸的三维颗粒模型，记录施加压力前模型中颗粒的初始状态信息，初始状态信息具体包括位置、位移、速度；
(2)实现复杂路径下的岩土质材料加卸荷试验，提取模型加卸荷过程中所有颗粒的状态信息；
(3)筛选并移除速度方向与加载/卸载方向相同或相反的颗粒；
(4)通过颗粒流间运动方向或相对位移角度进一步筛选颗粒；
(5)提取筛选后颗粒的状态信息，重构岩样试验后的破裂面。
2.根据权利要求1所述的一种提取三维破裂面的方法，其特征在于，所述步骤(1)的具体步骤为：
(1.1)基于颗粒流原理建立岩土质材料三维模型边界，包括圆柱体、长方体、立方体；
(1.2)生成球形自由径颗粒或多个颗粒组成的颗粒组；
(1.3)记录模型内颗粒的状态信息，将其放入不同的数组矩阵；其中，模型内颗粒的状态信息包括初始空间位置、初始位移、初始速度。
3.根据权利要求1所述的一种提取三维破裂面的方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体步骤为：
(2.1)通过虚拟边界墙体的位移或速度控制模型载荷的加卸载，进而实现不同工况下岩土体的加卸荷破坏虚拟仿真；
(2.2)加卸荷过程全程记录模型内所有颗粒在不同时间步下的状态信息，将其分别放入不同的数组矩阵；其中，所有颗粒在不同时间步下的状态信息包括空间位置、位移、速度。
4.根据权利要求1所述的一种提取三维破裂面的方法，其特征在于，所述步骤(3)的具体步骤为：
(3.1)将试验后颗粒的速度信息与初始状态下边界墙的速度信息进行对比，计算出加卸荷试验后所有颗粒与加载边界墙的位移矢量方向差；
(3.2)试验后的颗粒模型进行速度矢量方向差的第一次筛选，删除掉方向差为0°或者180°的颗粒；完成第一次筛选。
5.根据权利要求1所述的一种提取三维破裂面的方法，其特征在于，所述步骤(4)的具体步骤为：
(4.1)将试验后颗粒的位置信息与初始状态下颗粒的位置信息进行对比，计算出第一次筛选后所有颗粒试验前后的位移量差；
(4.2)对第一次筛选后的颗粒模型进行位移量差的第二次筛选，删除掉特定位移量的颗粒；完成第二次筛选。
(4.3)将试验后颗粒的位置信息进行对比，对一定范围内的颗粒进行位移矢量方向对比；完成第三次筛选。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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