CN110750901B - 基于离散元模型的土体扰动范围判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于离散元模型的土体扰动范围判断方法，包括：A.建立两组相同的土体离散元模型，一组用于进行模拟动作，另一组不做操作；B.计算各个位置上的土体颗粒进行了模拟动作后受到的扰动指标；C.根据由物理试验得到的真实扰动范围，以及对所有土体颗粒计算最大扰动指标和最小扰动指标，计算匹配率；D.在最大和最小扰动指标范围内依次取值并计算匹配率，得到的匹配率的最大值就是本次采样的阈值指标；E.根据阈值指标和扰动指标的大小比较得到本次采样的扰动范围。本发明能够通过离散元模拟确定不同土体的扰动范围，具有更广泛的适应性和普遍性。

Description

基于离散元模型的土体扰动范围判断方法

技术领域

本发明涉及土体扰动范围判断方法，具体讲是基于离散元模型的土体扰动范围判断方法。

背景技术

离散元模拟是计算机模拟的一种类型，在通过离散元模型来对土体中的各土体颗粒进行动作模拟时，主要方法是将土体视为离散的土体颗粒的组成，真实土体内部的相关物理力学性质就通过计算机中离散的土体颗粒之间的接触作用力进行体现。

在现有技术中已有多篇文件对这一领域的相关技术进行了说明，例如：

“一种高效率岩土体离散元数值计算颗粒搜索和运行方法”(专利申请号为CN201410405178.4)，针对离散元分析过程中的关键步骤进行了说明；

“一种用于岩土体三维离散元快速建模和模拟的通用数值模拟箱”(专利申请号：CN201710700733.X)，主要阐述了一种用以获取特定岩土体性质的离散元分析方法；

“考虑膜效应的岩土体三轴试验的离散元建模及数值模拟方法”(专利申请号：CN201710636809.7)，是在指定条件后的特定试验中应用离散元分析方法；

“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”(专利申请号：CN201811321036.4)，是用以获取特定岩土体性质的离散元分析方法；

“无粘性土各向异性力学特性微观机理数值模拟方法”(专利申请号：CN201811321036.4)，同样是用以获取特定岩土体性质的离散元分析方法；

“一种用于土体扰动试验的试样制备方法”(专利申请号：CN201210085922.8)，是以物理试验为核心的进行土体扰动试样的制备；

“一种隧道施工对侧方土体扰动的测试系统及方法”(专利申请号：CN201610859296.1)，是以特定施工工艺条件下物理试验为核心进行土体扰动范围的获取；

“一种软土微扰动测试方法”(专利申请号：CN201210234512.5)，是以特定土体中物理试验为核心进行土体扰动范围的获取。

通过上述公开的现有技术可知，目前的现有技术中，大多都是针对特定的离散元算法或通过离散元获得指定物理力学特征的特定岩土体样品，在涉及计算机离散元类的均是对离散元分析的过程和结果进行讨论，或者对传统分析方法中进行关键参数的改变或控制，或者根据目标结果提出特定的分析方法；而物理试验扰动类的现有技术均是针对特定土体的扰动进行测量，没进行更广泛的讨论，适用性不强。

发明内容

本发明提供了一种基于离散元模型的土体扰动范围判断方法，通过计算机离散元模拟来确定不同土体的扰动范围，使其具有更广泛的适应性和普遍性。

本发明基于离散元模型的土体扰动范围判断方法，包括：

A.建立两组相同的土体离散元模型，其中一组土体离散元模型用于进行模拟动作，另一组土体离散元模型不做操作，以对两组土体离散元模型在相同位置的扰动指标值的差异进行对比获得土体的扰动范围；其中土体离散元模型可以采用现有技术来建立。

B.在模拟土体中，计算在本次采样中各个位置上的土体颗粒进行了二维或三维的模拟动作后，每个土体颗粒受到的扰动指标D_{i_d}，其中i表示任意土体颗粒的所在位置；

C.根据由物理试验得到的真实扰动范围R_true，以及对所有土体颗粒计算后得到的最大扰动指标D_{i_d_max}，和最小扰动指标D_{i_d_min}＝0，计算得到真实扰动范围与模拟计算的扰动范围之间的匹配率M，0≤M≤1；由于物理试验耗资昂贵，只能进行少量的物理试验而不能全方位进行。因此通过物理实验计算得到真实扰动范围与模拟计算的扰动范围之间的匹配率M，从而在后续的土体扰动范围计算时就可以通过匹配率M进行计算，而不用再进行真实的物理试验了。同时，在最终计算得到扰动范围后，也可以通过之前的物理实验进行验证，在采样动作相同的条件下两个最终计算得到的扰动范围应当与物理实验得到的真实扰动范围R_true尽可能相等。

D.在范围[0,D_{i_d_max}]内依次取值并计算匹配率M，得到的匹配率M的最大值就是本次采样的阈值指标D_{t_d}；

E.根据阈值指标D_{t_d}和扰动指标D_{i_d}的大小比较得到本次采样的扰动范围R。

本发明是以数值模拟为核心进行扰动范围的分析，并且能够同时适用于二维和三维两种模拟类型。与现有技术相比，本发明是基于离散元的计算结果进行后续的分析。在二维或三维的离散元数值模拟中，建立扰动指标和匹配率的概念，并通过阈值指标计算扰动范围。因此，本发明是以离散元的计算结果为基础，进行了扰动范围的计算，相对于现有技术进行了更深入的分析，计算结果具有更好的广泛性和普遍适用性。

进一步的，步骤B中，计算扰动指标D_{i_d}为：D_{i_d}＝|D_{i_m}-D_{i_s}|，其中，对有模拟动作的土体离散元模型，模拟土体的i位置的扰动指标为D_{i_m}，对没有模拟动作的土体离散元模型，模拟土体中相同的i位置的扰动指标为D_{i_s}；i位置与本次采样的中心位置的距离，和扰动指标D_{i_d}的绝对值(不同的采样动作造成的扰动指标的结果并不相同，可能是正值，也可能是负值)呈反比，即i位置与本次采样的中心位置的距离越近，扰动指标D_{i_d}的绝对值越大。

进一步的，步骤C中，计算匹配率M为：

其中，R_c为模拟计算的扰动范围和真实扰动范围重合区域的面积(二维)或体积(三维)，R_sim为在模拟计算时，指定了阈值指标D_{t_d}后，计算得到的模拟扰动范围的总面积(二维)或总体积(三维)，R_true为经过物理验证得到的真实扰动范围的面积(二维)或体积(三维)。阈值指标D_{t_d}越接近扰动指标范围的上限，R_sim的面积或体积就越趋近于0，阈值指标D_{t_d}越接近扰动指标范围的下限，R_sim的面积或体积就越趋近于整个模拟范围。因此，只有R_sim的面积或体积越接近于R_true，匹配率M的计算结果才会越接近1，R_sim过大或过小均会导致匹配率M计算结果小于1。

进一步的，步骤E中，本次采样的扰动范围R为：R＝{i|D_{i_d}≥D_{t_d}}，其中i表示任意土体颗粒的所在位置。

本发明基于离散元模型的土体扰动范围判断方法，通过对比实施采样动作和未实施采样动作在相同位置的扰动指标差距来确定扰动程度，并且使离散元算法与生成的具体类型的岩土体样品相脱离，使本发明的方法具有了更广泛的适应性和普遍性。而且对通过使用其他不同算法获取的不同物理力学特征的岩土体，也均可使用本发明的方法进行扰动范围的判断。同时，经过物理试验和理论推演的验证，本发明的方法得到的扰动范围的结果具有足够的精确度，完全能够满足后期工程施工或进一步研究的需要。

以下结合实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。

附图说明

图1为本发明基于离散元模型的土体扰动范围判断方法的流程图。

图2为阈值指标为位移时，通过图1的方法进行匹配率计算的结果。

图3为阈值指标为应力时，通过图1的方法进行匹配率计算的结果。

具体实施方式

如图1所示基于离散元模型的土体扰动范围判断方法，包括：

A.在二维和三维的土体模拟中，不同的模型类型涉及有不同的微观参数，通过调节各微观参数的值即可获取不同物理力学特征的土体离散元模型。在进行扰动范围的测量前，先建立两组相同的土体离散元模型，其中一组土体离散元模型用于计算挖、铲、插入等不同类型的模拟动作对土体的扰动范围，另一组土体离散元模型不做操作，以对两组土体离散元模型在相同位置的扰动指标值的差异进行对比获得土体的扰动范围；其中土体离散元模型可以采用现有技术来建立。

B.在模拟土体中，在进行模拟动作时，要对每一个土体颗粒的所有离散元分析参数进行记录。首先需要确定扰动指标，本发明中未指定扰动指标的类型，根据需要可以是土体颗粒位移，可以是土体颗粒应力，也可以是其他参数，但一定需要一个土体的扰动指标。该扰动指标可应用于每一个土体颗粒(例如位移)或每一个指定范围(例如应力，计算值就是指定范围的中心值)。确定扰动指标后再在有模拟动作和未进行模拟动作的两组土体离散元模型中，分别对所有颗粒(针对土体颗粒的指标)或所有位置(针对计算范围的指标，逐渐移动计算中心进行计算)的扰动指标进行计算。

计算在本次采样中各个位置上的土体颗粒进行了二维或三维的模拟动作后，每个土体颗粒受到的扰动指标D_{i_d}：D_{i_d}＝|D_{i_m}-D_{i_s}|，其中i表示任意土体颗粒的所在位置，对有模拟动作的土体离散元模型，模拟土体的i位置的扰动指标为D_{i_m}，对没有模拟动作的土体离散元模型，模拟土体中相同的i位置的扰动指标为D_{i_s}；i位置与本次采样的中心位置的距离，和扰动指标D_{i_d}的绝对值(不同的采样动作造成的扰动指标的结果并不相同，可能是正值，也可能是负值)呈反比，即i位置与本次采样的中心位置的距离越近，扰动指标D_{i_d}的绝对值越大。

C.理论上未扰动的位置其扰动指标D_{i_d}＝0，但考虑到理论的模拟计算与实际的不同，实际情况下并不能直接将需要的阈值指标D_{t_d}直接设为0，因而提出了通过匹配率M的方法来确定扰动的阈值指标D_{t_d}的值。由于物理试验耗资昂贵，只能进行少量的物理试验而不能全方位进行。因此通过物理实验计算得到真实扰动范围与模拟计算的扰动范围之间的匹配率M，从而在后续的土体扰动范围计算时就可以通过匹配率M进行计算，而不用再进行真实的物理试验了。同时，在最终计算得到扰动范围后，也可以通过之前的物理实验进行验证，在采样动作相同的条件下两个最终计算得到的扰动范围应当与物理实验得到的真实扰动范围R_true尽可能相等。

通过物理试验得到的真实扰动范围R_true，以及对所有土体颗粒计算后得到的最大扰动指标D_{i_d_max}，和最小扰动指标D_{i_d_min}＝0，计算得到真实扰动范围与模拟计算的扰动范围[0,D_{i_d_max}]之间的匹配率M：

其中，R_c为模拟计算的扰动范围和真实扰动范围重合区域的面积(二维)或体积(三维)，R_sim为在模拟计算时，指定了假设的阈值指标D_{t_d}后，计算得到的模拟扰动范围的总面积(二维)或总体积(三维)，R_true为经过物理验证得到的真实扰动范围的面积(二维)或体积(三维)。

假设的阈值指标D_{t_d}越接近扰动指标范围的上限，R_sim的面积或体积就越趋近于0，假设的阈值指标D_{t_d}越接近扰动指标范围的下限，R_sim的面积或体积就越趋近于整个模拟范围。因此，只有R_sim的面积或体积越接近于R_true，匹配率M的计算结果才会越接近1，R_sim过大或过小均会导致匹配率M计算结果小于1，因此0≤M≤1。

D.当假设的阈值指标D_{t_d}在范围[0,D_{i_d_max}]内依次取值并计算匹配率M后，得到的匹配率M的最大值就是本次采样的阈值指标D_{t_d}；

E.若该扰动指标D_{i_d}大于阈值指标D_{t_d}即认为该位置位于扰动范围内，小于阈值指标D_{t_d}则认为该位置没有受到扰动。固对所有位置的扰动指标D_{i_d}分别进行计算，计算后所有超过阈值指标D_{t_d}的位置就视为扰动范围R。因此根据阈值指标D_{t_d}和扰动指标D_{i_d}计算得到本次采样的扰动范围R：R＝{i|D_{i_d}≥D_{t_d}}，其中i表示任意土体颗粒的所在位置。

如图2和图3所示，阈值指标D_{t_d}是一个会变动且泛指的物理量，在图2和图3中分别采用了位移和应力作为指标。当图2中的阈值位移或图3中的阈值应力的值逐渐增加后，计算得到的匹配率均是先急剧上升，后缓慢下降的趋势。因此，就匹配率趋势上说一定存在一个最大的峰值，匹配率最大的峰值也就对应了确定的阈值指标的值。再根据步骤E的公式，在确定了阈值指标大小的情况下就确定了扰动范围。

Claims (3)

1.基于离散元模型的土体扰动范围判断方法，其特征包括：

A.建立两组相同的土体离散元模型，其中一组土体离散元模型用于进行模拟动作，另一组土体离散元模型不做操作，以对两组土体离散元模型在相同位置的扰动指标值的差异进行对比获得土体的扰动范围；

B.在模拟土体中，计算在本次采样中各个位置上的土体颗粒进行了二维或三维的模拟动作后，每个土体颗粒受到的扰动指标D_{i_d}，其中i表示任意土体颗粒的所在位置；

C.根据由物理验证或理论计算得到的真实扰动范围的面积或体积R_true，以及对所有土体颗粒计算后得到的最大扰动指标D_{i_d_max}，和最小扰动指标D_{i_d_min}＝0，计算得到真实扰动范围与模拟计算的扰动范围之间的匹配率M，0≤M≤1；

步骤C中，计算匹配率M为：

其中，R_c为模拟计算的扰动范围和真实扰动范围重合区域的面积或体积，R_sim为在模拟计算时，指定了阈值指标D_{t_d}后，计算得到的模拟扰动范围的总面积或总体积；

D.在范围[0,D_{i_d_max}]内依次取值并计算匹配率M，得到的匹配率M的最大值就是本次采样的阈值指标D_{t_d}；

E.根据阈值指标D_{t_d}和扰动指标D_{i_d}的大小比较得到本次采样的扰动范围R。

2.如权利要求1所述的基于离散元模型的土体扰动范围判断方法，其特征为：步骤B中，计算扰动指标D_{i_d}为：D_{i_d}＝|D_{i_m}-D_{i_s}|，其中，对有模拟动作的土体离散元模型，模拟土体的i位置的扰动指标为D_{i_m}，对没有模拟动作的土体离散元模型，模拟土体中相同的i位置的扰动指标为D_{i_s}；i位置与本次采样的中心位置的距离和扰动指标D_{i_d}的绝对值呈反比，即i位置与本次采样的中心位置的距离越近，扰动指标D_{i_d}的绝对值越大。

3.如权利要求1所述的基于离散元模型的土体扰动范围判断方法，其特征为：步骤E中，本次采样的扰动范围R为：R＝{i|D_{i_d}≥D_{t_d}}，其中i表示任意土体颗粒的所在位置。

Images