CN115525961A - 非均质封底混凝土与钢护筒的粘结力的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非均质封底混凝土与钢护筒的粘结力的分析方法。所述方法包括以下步骤：构建骨料数据库；确定非均质封底混凝土中骨料的目标含量范围，根据设计级配从骨料数据库中随机抽取三维骨料模型投放至虚拟样本空间内构建得到非均质封底混凝土模型；根据钢护筒的预设设计参数构建钢护筒模型；建立非均质封底混凝土与钢护筒的粘结模型；对所建立的封底混凝土和钢护筒的粘结模型划分网格，并施加边界条件和荷载进行计算分析，输出钢护筒应变分布以用于分析非均质封底混凝土与钢护筒的粘结力。本分析方法考虑了封底混凝土的非均质性，能够更真实的模拟封底混凝土与钢护筒的粘结情况，为工程数值模拟提供可靠保障。

Description

非均质封底混凝土与钢护筒的粘结力的分析方法

技术领域

本发明涉及建筑结构的非线分析技术领域，尤其涉及一种非均质封底混凝土与钢护筒的粘结力的分析方法。

背景技术

双壁钢围堰作为深水区域桥梁基础施工的关键临时挡水结构，在深水基础施工中得到了广泛使用。封底混凝土则是双壁钢围堰施工中十分重要的施工环节之一，一方面，封底混凝土能在围堰底部防渗止水，另一方面，封底混凝土还能通过钢护筒将荷载传至地基起到抗浮作用，以保证围堰的稳定性。因此封底混凝土的厚度是双壁钢围堰设计的重点，而封底混凝土与钢护筒的粘结力则是决定封底混凝土厚度的重要因素。

目前关于封底混凝土与钢护筒的粘结力的研究较少，大多采用传统经验参数和公式对封底混凝土厚度进行保守设计，通常会通过增加封底混凝土的厚度来弥补封底混凝土与钢护筒的粘结力不足，从而保证双壁钢围堰的安全性，但这会大大提高工程成本。另外，目前对于封底混凝土的数值模拟都把混凝土看作一种均质材料，给混凝土整体赋予一致的材料属性，而这种简化会大大影响封底混凝土与钢护筒的粘结力，从而影响封底混凝土的厚度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非均质封底混凝土与钢护筒的粘结力的分析方法，考虑了封底混凝土的非均质性，能够更真实的模拟封底混凝土与钢护筒的粘结情况，为工程数值模拟提供可靠保障。

为了实现上述目的，本发明提供了一种非均质封底混凝土与钢护筒的粘结力的分析方法，所述方法包括以下步骤：

步骤（1）、构建骨料数据库，所述骨料数据库中包括多个三维骨料模型；

步骤（2）、确定所述非均质封底混凝土中骨料的目标含量范围，根据设计级配从所述骨料数据库中随机抽取三维骨料模型投放至虚拟样本空间内构建得到非均质封底混凝土模型，所述三维骨料模型的含量位于所述骨料的目标含量范围之内；

步骤（3）、根据钢护筒的预设设计参数构建钢护筒模型；

步骤（4）、将步骤（2）构建的所述非均质封底混凝土模型和步骤（3）构建的钢护筒模型导入有限元软件中，装配所述非均质封底混凝土模型和所述钢护筒模型，设置接触和相互作用，建立非均质封底混凝土与钢护筒的粘结模型；

步骤（5）、对步骤（4）所建立的所述封底混凝土与钢护筒的粘结模型划分网格，并施加边界条件和荷载进行计算分析，输出钢护筒应变分布以用于分析非均质封底混凝土与钢护筒的粘结力。

在一种具体的实施方式中，所述设计级配包括由小石组成的一级级配、由小石和中石组成的二级级配、由小石、中石和大石组成的三级级配和由小石、中石、大石和特大石组成的四级级配。

在一种具体的实施方式中，所述小石的三维骨料的等效粒径为5~20mm、所述中石的三维骨料的等效粒径为20～40mm、所述大石的三维骨料的等效粒径为40～80mm、所述特大石的三维骨料的等效粒径为80～120mm。

在一种具体的实施方式中，所述步骤（1）包括：

步骤1.1、按照第一预设方法构建多个二维骨料模型，将多个所述二维骨料模型的集合作为二维骨料数据库；

步骤1.2、从所述二维骨料数据库中随机抽取属于相同级别的N个目标二维骨料模型按照第二预设方法构建表面被划分为多个三角形网格的三维骨料模型，N为大于等于3且小于等于6的自然数，构建所述小石的二维骨料模型、构建所述中石的二维骨料模型、构建所述大石的二维骨料模型和构建所述特大石的二维骨料模型分别属于相同级别；其中，所述第二预设方法包括：

步骤S1、将所述N个目标二维骨料模型依次置于xoy平面上，且所述N个目标二维骨料的形心与所述xoy平面的原点重合；

步骤S2、使所述N个目标二维骨料模型沿Z轴方向间隔设置，且所述N个目标二维骨料模型的形心均位于Z轴上，其中，N个目标二维骨料模型中边数最多的第一目标二维骨料模型位于所述xoy平面上，其他N-1个目标二维骨料模型分别位于所述第一目标二维骨料模型的上方和下方；

步骤S3、按照预设连接规则将相邻的二个目标二维骨料模型的顶点依次连接形成多条直线，所有的直线均不会相互交叉且将所述相邻的二个目标二维骨料之间的表面划分为三角形；

步骤1.3、重复步骤1.2多次并改变从所述二维骨料数据库中随机选取的目标二维骨料模型以构建一系列不同形状的三维骨料模型，直至所述小石的三维骨料模型、所述中石的三维骨料模型、所述大石的三维骨料模型和所述特大石的三维骨料模型的数量均大于第一目标数量值；

步骤1.4、将所有生成的三维骨料模型的集合作为骨料数据库。

在一种具体的实施方式中，所述预设连接规则具体为，当相邻的两个所述目标二维骨料模型的顶点数量相同时，将距离最近的两个顶点用直线连接，且部分呈对角设置的两个顶点用直线连接；当相邻的两个所述目标二维骨料模型的顶点不同时，顶点个数较少的所述目标二维骨料模型的顶点与顶点个数较多的所述目标二维骨料模型的多个顶点连接。

在一种具体的实施方式中，所述步骤1.1中的第一预设方法包括以下步骤：

步骤A1、在极坐标系中生成一个极径为预设半径值的初始圆，所述预设半径值位于预设区间内，所述预设区间的范围基于所述小石、中石、大石和特大石的三维骨料模型的等效粒径确定；

步骤A2、随机生成一组角度增量

，并分别以j个角度增量之和

为旋转角度，按逆时针方向生成多条从原点出发的射线，将多条所述射 线与所述初始圆相交的点设定为初始采样点，

其中：

式中，

均是0到1之间的随机数，n为大于等于6且小于等于12的整数；

步骤A3、以原点与初始采样点之间的距离为初始极径，设置极径的变化幅度

， 对于每一条初始极径，按预设计算公式随机生成一组新的极径

，并对应生成 一组新的采样点

，原点与新的采样点之间的距离与新的极径相对应，所述 预设计算公式为：

其中

是0到1之间的随机数，

是初始采样点对应的极径，

是新的采样点对应 的极径，

是极径的变化幅度。

步骤A4、顺次连接采样点

得到二维骨料模型；

步骤A5、重复步骤A1至A4并改变所述预设半径值、所述角度增量、所述

和所述μ 以生成不同形状的二维骨料模型，直至所述二维骨料模型的数量大于第二目标数量值。

在一种具体的实施方式中，所述步骤（2）包括：

步骤2.1、确定所述非均质封底混凝土中骨料的目标含量范围，并在空间直角坐标系中生成一个虚拟样本空间，所述虚拟样本空间与所述非均质封底混凝土所占空间对应；

步骤2.2、确定骨料的设计级配；

步骤2.3、根据所确定的设计级配从所述骨料数据库中随机抽取多个三维骨料模型作为目标骨料，并将所述目标骨料用等效直径的球体包裹；

步骤2.4、将所述目标骨料按预设的投放规则和预设的投放方法投入至所述虚拟样本空间内，所述目标骨料的含量位于所述骨料的目标含量范围之内。

在一种具体的实施方式中，所述步骤2.4中的所述预设的投放规则为：按所述目标骨料的等效粒径从大至小依次投放。

在一种具体的实施方式中，所述步骤2.4中的所述预设的投放方法为：投放的第M+1个球体与投放的前M个球体均不重叠，M为大于1的自然数。

在一种具体的实施方式中，所述非均质封底混凝土还包括细骨料基质和砂浆，所述步骤2.4后还包括：

步骤2.5、用细骨料基质和砂浆填充所述虚拟样本空间内三维骨料模型之外的区域，形成非均质封底混凝土模型。

本发明的有益效果至少包括：

本发明提供的一种非均质封底混凝土与钢护筒的粘结力的分析方法，所述分析方法建立的非均质封底混凝土模型通过虚拟样本空间模拟混凝土，并向虚拟样本空间内投放三维骨料模型得到，充分考虑了封底混凝土的非均质性及实际工程建设中的封底混凝土的实际组成情况，使得建立的非均质封底混凝土模型更符合封底混凝土的实际内部结构，这样，建立的封底混凝土与钢护筒的粘结模型能够更真实地模拟封底混凝土与钢护筒的粘结情况，可以为双壁钢围堰的封底混凝土和钢护筒的设计与施工提供依据，为工程数值模拟提供可靠保障。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的非均质封底混凝土与钢护筒的粘结力的分析方法的方法流程图；

图2为本发明建立的非均质封底混凝土与钢护筒的粘结模型示意图；

图3为有限元软件输出的钢护筒应变分布图；

图4为本发明一实施例提供的步骤S10的方法流程图；

图5为本发明二维骨料模型的构建示意图；

图6为本发明三维骨料模型构建过程中的一个示意图；

图7为本发明构建的三维骨料模型的示意图；

图8是本发明建立的非均质封底混凝土投放骨料后的结构示意图；

图9是本发明建立的非均质封底混凝土的结构示意图；

图10为本发明一实施例提供的步骤S20的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本发明，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

请参阅图1至图3，本发明提供一种非均质封底混凝土与钢护筒的粘结力的分析方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S10、构建骨料数据库，所述骨料数据库中包括多个三维骨料模型；

所述骨料数据库包括多个小石的三维骨料模型、多个中石的三维骨料模型、多个大石的三维骨料模型和多个特大石的三维骨料模型，所述小石的三维骨料模型、中石的三维骨料模型、大石的三维骨料模型和特大石的三维骨料模型的形状各不相同，且奇形怪状，用于模拟工程建设中封底混凝土中岩石颗粒的形状。

步骤S20、确定所述非均质封底混凝土中骨料的目标含量范围，根据设计级配从所述骨料数据库中随机抽取三维骨料模型投入至虚拟样本空间内构建得到非均质封底混凝土模型，所述三维骨料模型的含量位于所述骨料的目标含量范围之内；

混凝土是建设工程主要的结构材料，而砂子、岩石颗粒是构成混凝土组成材料中最重要的原材料之一，是混凝土的骨架，岩石颗粒的形状各异。在本实施例中，骨料为混凝土的岩石颗粒，包括粒径从小至大依次排列的小石、中石、大石和特大石，且小石、中石、大石和特大石的形状各异，用于模拟工程建设中混凝土中岩石颗粒的实际形状。

优选地，所述骨料占所述封底混凝土体积的50~70%，即骨料的目标含量范围为50~70%。目标含量范围根据工程建设中混凝土中的岩石含量确定，该数据是人为设定的。

所述三维骨料模型的含量位于所述骨料的目标含量范围之内，可以理解为所述三维骨料模型的含量为50~70%之间的任一个数值，可以为51%、55%、60%、65.2%等数据。

在本实施例中，骨料的目标含量范围为50~70%。

所述虚拟样本空间是用于模拟混凝土所占空间，在本实施例中，虚拟样本空间为平行六面体，在其他实施例中，也可以为圆柱体等其他形状，在此不作限定。

所述设计级配包括由小石组成的一级级配、由小石和中石组成的二级级配、由小石、中石和大石组成的三级级配和由小石、中石、大石和特大石组成的四级级配。

在本实施例中，所述小石的三维骨料模型的等效粒径为5~20mm、所述中石的三维骨料模型的等效粒径为20～40mm、所述大石的三维骨料模型的等效粒径为40～80mm、所述特大石的三维骨料模型的等效粒径为80～120mm。

当所述设计级配为一级级配时，则从所述骨料数据库中选择小石的三维骨料模型投放至虚拟样本空间中直至骨料达到所述预设目标含量；当所述设计级配为二级级配时，则从所述骨料数据库中选择小石的三维骨料模型和中石的三维骨料模型投放至虚拟样本空间中直至骨料达到所述预设目标含量，小石的三维骨料模型和中石的三维骨料模型的比例可以为4：6，也可以为7：3等，可以为任何其他比值，两者比值的大小由实际的封底混凝土的骨料组成决定；当所述设计级配为三级级配时，则从所述骨料数据库中选择小石的三维骨料模型、中石的三维骨料模型和大石的三维骨料模型投放至虚拟样本空间中直至骨料达到所述预设目标含量，小石的三维骨料模型、中石的三维骨料模型和大石的三维骨料模型的比例可以为4：5：1，也可以为5：3：2等，可以为任何其他比值，三者比值的大小由实际的封底混凝土的骨料组成决定；当所述设计级配为四级级配时，则从所述骨料数据库中选择小石的三维骨料模型、中石的三维骨料模型、大石的三维骨料模型和特大石的三维骨料模型投放至虚拟样本空间中直至骨料达到所述预设目标含量，小石的三维骨料模型、中石的三维骨料模型、大石的三维骨料模型和特大石对应的三维骨料模型的比例可以为4：3：2：1，也可以为5：2：2：1等，可以为任何其他比值，四者比值的大小由实际的封底混凝土的骨料组成决定。

所述设计级配由工程建设中封底混凝土的组成决定。在本实施例中，所述设计级配为三级级配。

在本实施例中，所述虚拟样本空间为混凝土所占空间。

步骤S30、根据钢护筒的预设设计参数构建钢护筒模型；

所述钢护筒的预设计参数包括形状、内径、外径、材料属性等，若所使用的材料为Q235钢，则材料属性包括Q235钢的密度、弹性模量、泊松比等可能会影响粘结力分析的数据。

步骤S40、将步骤S20构建的所述非均质封底混凝土模型和步骤S30构建的钢护筒模型导入有限元软件中，装配所述非均质封底混凝土模型和所述钢护筒模型，设置接触和相互作用，建立非均质封底混凝土与钢护筒的粘结模型；

所述有限元软件为ABAQUS有限元软件。

在本实施例中，所述非均质封底混凝土模型与所述钢护筒模型采用cohesive单元连接，并赋予cohesive单元属性，以建立非均质封底混凝土与钢护筒的粘结模型。

建立的非均质封底混凝土与钢护筒的粘结模型如图2所示。

步骤S50、对步骤S40所建立的所述封底混凝土与钢护筒的粘结模型划分网格，并施加边界条件和荷载进行计算分析，输出钢护筒应变分布以用于分析非均质封底混凝土与钢护筒的粘结力。

具体地：钢护筒采用三维实体非协调减缩C3D8RH单元，封底混凝土由于含有大量不规则骨料，无法划为正六面体网格，故采用十节点二次四面体C3D10单元。边界条件为封底混凝土底部采用完全固定约束，即U1=U2=U3=0，而封底混凝土侧面则约束相对应方向的位移，即U1=0或U2=0。荷载则对整个模型施加重力荷载并且对封底混凝土底部施加浮力荷载。

输出的钢护筒应变分布图如图3所示，在钢护筒与封底混凝土接触界面的协同作用下，钢护筒轴向应变总体上表现出随着粘结高度的增加呈先增大后减小的趋势，峰值应变出现在距离封底混凝土底部大约H/10处。

得到钢护筒的应变分布后对粘结力进行分析，假定粘结力沿粘结高度方向上为均匀分布，取一定粘结高度△h，通过测量出△h高度上的应变差，进而求出该高度范围对应的粘结力。具体求解公式如下所示：

式中，

为平均粘结应力，

、

为钢护筒外截面面积和内截面面积，

为相邻两点的应变差，

为钢护筒的弹性模量，

、

为钢护筒外径和内径。

影响粘结力的因素包括混凝土强度、混凝土厚度、钢护筒直径、钢护筒弹性模量等因素，在进行实际研究时，可以改变其中一个因素而保持其他因素不变得到这个因素与粘结力的关系，从而获得所有因素与粘结力的关系，为双壁钢围堰的封底混凝土和钢护筒的设计与施工提供依据，为工程数值模拟提供可靠保障。

请结合参阅图4至图9，进一步地，所述步骤S10包括以下步骤：

步骤S110、按照第一预设方法构建多个二维骨料模型，将多个所述二维骨料模型的集合作为二维骨料数据库；

二维骨料模型是构建三维骨料模型的基础，由于三维骨料模具有四个级别，相应的，二维骨料模型也具有四个级别。

步骤S120、从所述二维骨料数据库中随机抽取属于相同级别的N个目标二维骨料模型按照第二预设方法构建表面被划分为多个三角形网格的三维骨料模型，N为大于等于3且小于等于6的自然数，构建所述小石的二维骨料模型、构建所述中石的二维骨料模型、构建所述大石的二维骨料模型和构建所述特大石的二维骨料模型分别属于相同级别；其中，所述第二预设方法包括：

步骤（1）、将所述N个目标二维骨料模型依次置于xoy平面上，且所述N个目标二维骨料的形心与所述xoy平面的原点重合；

步骤（2）、使所述N个目标二维骨料模型沿Z轴方向间隔设置，且所述N个目标二维骨料模型的形心均位于Z轴上，其中，N个目标二维骨料模型中边数最多的第一目标二维骨料模型位于所述xoy平面上，其他N-1个目标二维骨料模型分别位于所述第一目标二维骨料模型的上方和下方；

步骤（1）将抽取的N个目标二维骨料模型均置于xoy平面上，步骤（2）将N个目标二维骨料模型沿Z轴方向间隔设置，且所有的目标二维骨料模型的形心和原点均位于Z轴上。具体地，包括以下步骤：

对所述N个目标二维骨料模型的边数进行排序；

N个目标二维骨料模型中边数最多的第一目标二维骨料模型位于xoy平面上；

将其他N-1个目标二维骨料型沿Z轴方向上移或至下移以到达目标位置。在本实施例中，所述目标位置为：边数最多的第一目标二维骨料模型，与其相邻的上方和下方分别为边数第二多和第三多的目标二维骨料模型，边数第二多的目标二维骨料模型和边数第三多的目标二维骨料模型远离所述第一目标二维骨料模型的一侧为边数第四多的目标二维骨料模型和边数第五多的目标二维骨料模型，……，按照此规律排序后，则第一目标二维骨料模型和其上方的目标二维骨料模型的边数排序规则是从下至上依次减小，第一目标二维骨料模型和其下方的目标二维骨料模型的边数排序规则是从上至下依次减小。

在其他实施例中，N个目标二维骨料模型排序方式还可以为，边数最多的第一目标二维骨料模型位于XOY平面上，第一目标二维骨料模型上方的目标二维骨料模型的边数排序规则是从下至上依次增大，第一目标二维骨料模型下方的目标二维骨料模型的边数排序规则是从上至下依次减小。

N个目标二维骨料模型可以为均匀间隔设置，也可以相邻的两个目标二维骨料模型的间隔距离完全不相同或者部分不相同，本实施例并不做限定。所有二维骨料的间距之和等于生成的三维骨料模型的厚度，所述三维骨料模型的厚度不能超过所述三维骨料模型的等效粒径。

优选地，N个目标二维骨料模型均匀间隔设置，在本实施例中，目标二维骨料模型的数量为4个，间隔距离为5mm。

为了方便理解，举例说明，假设目标二维骨料模型的数量为4个，边数分别为12、9、8、6，那么边数为12的目标二维骨料模型为第一目标二维骨料模型P1，边数为9的的目标二维骨料模型为第二目标二维骨料模型P2，边数为8的目标二维骨料模型为第三目标二维骨料模型P3，边数为6的目标二维骨料模型为第四目标二维骨料模型P4，则四个目标二维骨料模型沿Z轴方向从上至下的排列顺序可以为：P4、P2、P1、P3或者为P2、P1、P3、P4。

请结合阅图6，图8所示为三个目标二维骨料模型G1、G2和G3间隔设置的结构示意图，G1位于xoy平面，而G2位于G1的上方，G3位于G1的下方，三者的形心沿Z轴方向间隔设置。

步骤（3）、按照预设连接规则将相邻的二个目标二维骨料模型的顶点依次连接形成多条直线，所有的直线均不会相互交叉且将所述相邻的二个目标二维骨料之间的表面划分为三角形；

优选地，所述预设连接规则具体为，当相邻的两个所述目标二维骨料模型的顶点数量相同时，将距离最近的两个顶点用直线连接，且部分呈对角设置的两个顶点用直线连接；当相邻的两个所述目标二维骨料模型的顶点不同时，顶点个数较少的所述目标二维骨料模型的顶点与顶点个数较多的所述目标二维骨料模型的多个顶点连接。请结合参阅图7，图7为本发明构建的三维骨料模型的示意图。

需要说明的是，当相邻的两个所述目标二维骨料模型的顶点不同时，存在两种情况，一种情况是两个所述目标二维骨料模型的顶点数相差较小，这样的话，在某些面仍存在顶点数相同的情况，仍需要将部分呈对角设置的两个顶点用直线连接，另一种情况是两个所述目标二维骨料模型的顶点数相差较大，这样的话，将顶点个数较少的所述目标二维骨料模型的1个顶点与顶点个数较多的所述目标二维骨料模型的多个顶点连接即可，在具体连线时，最终的结果是需要将相邻的二个目标二维骨料之间的表面划分为三角形。

在该步骤生成三维骨料模型时划分网格相当于为骨料实例分区，这有益于后续在有限元软件ABAQUS中计算网格的划分。

步骤S130、重复步骤S120多次并改变从所述二维骨料数据库中随机选取的目标二维骨料模型以构建一系列不同形状的三维骨料模型，直至所述小石的三维骨料模型、所述中石的三维骨料模型、所述大石的三维骨料模型和所述特大石的三维骨料模型的数量均大于第一目标数量值；

所述第一目标数量值包括小石的三维骨料模型的目标数量值、中石的三维骨料模型的目标数量值、大石的三维骨料模型的目标数量值和特大石的三维骨料模型的目标数量值，上述四个目标数量值可以相同，也可以不相同。

理论上说，第一目标数量值越大越好，这样，生成的三维骨料模型的形状更多，也更能准确的模拟工程建设中混凝土中所使用的岩石颗粒的形状，但是由于第一目标数量值越大，则需要处理的数据越多，一般来说，第一目标数量值是待选取的三维骨料模型的10~20倍，也就说构建得到非均质封底混凝土模型需要使用的小石的三维骨料模型数量为50个，那么步骤S130需要构建的小石的三维骨料模型的数量为500~1000个；所述中石的三维骨料模型、所述大石的三维骨料模型和所述特大石的三维骨料模型的第一目标数量值也参考小石的三维骨料模型的数量确定，在此不再赘述。

步骤S140、将所有生成的三维骨料模型的集合作为骨料数据库。

进一步地，所述步骤S110中的第一预设方法包括以下步骤：

第一步、在极坐标系中生成一个极径为预设半径值的初始圆，所述预设半径值位于预设区间内，所述预设区间的范围基于所述小石、中石、大石和特大石的三维骨料模型的等效粒径确定；

举例说明，所述小石的三维骨料模型的等效粒径为5~20mm，那么对应生成小石的三维骨料模型的预设半径值的预设区间为2.5~10mm；所述中石的三维骨料的等效粒径为20～40mm，那么对应生成中石的三维骨料模型的预设半径值的预设区间为10~20mm；所述大石的三维骨料的等效粒径为40～80mm，那么对应生成大石的三维骨料模型的预设半径值的预设区间为20~40mm；所述特大石的三维骨料的等效粒径为80～120mm，那么对应生成特大石的三维骨料模型的预设半径值的预设区间为40~60mm。

第二步、随机生成一组角度增量

，并分别以j个角度增量之和

为旋转角度，按逆时针方向生成多条从原点出发的射线，将多条所述射线 与所述初始圆相交的点设定为初始采样点，

其中：

式中，

均是0到1之间的随机数，n为大于等于6且小于等于12的整数。

请结合参阅图5，举例说明，假设角度增量共包括12个增量，分别为10度、32度、21度……，那么第一条射线的旋转角度为10度，第二条射线的旋转角度为42度，第三条射线的旋转角度为53度，依次推类，共生成12条射线，相应的，采样点的个数也为12个。

第三步、以原点与初始采样点之间的距离为初始极径，设置极径的变化幅度

， 对于每一条初始极径，按预设计算公式随机生成一组新的极径

，并对应生成 一组新的采样点

，原点与新的采样点之间的距离与新的极径相对应，所述预 设计算公式为：

其中

是0到1之间的随机数，

是初始采样点对应的极径，

是新的采样点对应 的极径，

是极径的变化幅度。

该步骤可以理解为将原始采样点沿原始采样点所在射线向前或者向后移一定距离得到新的采样点，新的采样点与原点之间的距离大于原始采样点与原点之间的距离或者小于原始采样点与原点之间的距离，当然，也存在新的采样点与原始采样点重合的情况。

第四步、顺次连接采样点

得到二维骨料模型；

第五步、重复步骤第一步至第四步并改变所述预设半径值、所述角度增量、所述

和所述μ以生成不同形状的二维骨料模型，直至所述二维骨料模型的数量大于第二目标数 量值。

第二目标数量值越多越好，具体实施过程中，对应生成小石的三维骨料模型、中石的三维骨料模型、大石的三维骨料模型的二维骨料模型均可以为100~200个。

请结合参阅图10，进一步地，所述步骤S20包括：

步骤S210、确定所述非均质封底混凝土中骨料的目标含量范围，并在空间直角坐标系中生成一个虚拟样本空间，所述虚拟样本空间与所述非均质封底混凝土所占空间对应；

在本实施例中，所述虚拟样本空间为平行六面体，在其他实施例中，所述虚拟样本空间也可以为其他形状，在此并不做限定。

为了方便后文的举例描述，设所述平行六面体虚拟样本空间的体积为V。

步骤S220、确定骨料的设计级配；

所述设计级配为一级级配、二级级配、三级级配和四级级配中的一种。

步骤S230、根据所确定的设计级配从所述骨料数据库中随机抽取多个三维骨料模型作为所述目标骨料，并将所述目标骨料用等效直径的球体包裹；

当所述设计级配为一级级配时，目标骨料包括多个小石的三维骨料模型；当所述设计级配为二级级配时，目标骨料包括多个小石的三维骨料模型和多个中石的三维骨料模型；当所述设计级配为三级级配时，目标骨料包括多个小石的三维骨料模型、多个中石的三维骨料模型和多个大石的三维骨料模型；当所述设计级配为四级级配时，目标骨料包括多个小石的三维骨料模型、多个中石的三维骨料模型、多个大石的三维骨料模型和多个特大石的三维骨料模型。

在本实施例中，所述设计级配为三级级配，即所述骨料由小石、中石和大石组成。

为了方便理解，举例说明，所述预设目标含量为50%~70%，那么按平均的预设目标含量计算投放至所述平行六面体虚拟样本空间的目标骨料的体积，为0.6V。假设，三级级配中小石、中石和大石的组成为3：5：2，那么小石的体积为0.18V，中石的体积为0.3V，大石的体积为0.12V，考虑到各骨料投放至所述平行六面体虚拟样本空间后具有空隙，那么随机抽取的小石三维骨料模型的体积之和小于0.18V，中石的三维骨料模型的体积之和小于0.3V，小石三维骨料模型的体积之和小于0.12V，具体数值可以依据设定的骨料的空隙率进行计算。

在本实施例中，将三维骨料型用等效直径的球体包裹，是为了避免骨料之间重叠，便于投放。

需要说明的是，随机抽取目标骨料的方式可以为先抽取大石的三维骨料模型进行投放，投放完后再抽取中石的三维骨料模型进行投放，投放完后再抽取小石的三维骨料模型进行投放；也可以是按计算数据把待投放的三维骨料模型先抽取完，然后再依次进行投放；还可以是抽取一个投放一个，上述三种方式均可。

步骤S240、将所述目标骨料按预设的投放规则和预设的投放方法投入至所述虚拟样本空间内，所述目标骨料的含量位于所述骨料的目标含量范围之内。

优选地，所述预设的投放规则为：按所述目标骨料的等效粒径从大至小的顺序依次投放。

具体地，首先将大石的三维骨料模型进行投放，然后再将中石的三维骨料模型进行投放，最后将小石的三维骨料模型进行投放，采用此方式投放，可以减少运算量。

在投放过程中，可以为抽取第一个大石的三维骨料模型进行投放，再抽取第二个大石的三维骨料模型进行投放，再抽取第三个大石的三维骨料模型进行投放，……直至所有大石三维骨料模型的体积之和达到目标值；然后再抽取第一个中石的三维骨料模型进行，再抽取第二个中石的三维骨料模型进行投放，再抽取第三个中石的三维骨料模型进行投放，……直至所有中石三维骨料模型的体积之和达到目标值；然后再抽取第一个小石的三维骨料模型进行，再抽取第二个小石的三维骨料模型进行投放，再抽取第三个小石的三维骨料模型进行投放，……直至所有小石三维骨料模型的体积之和达到目标值。

在进行同级别的三维骨料模型进行投放时，优选地，同样按等效粒径的大小顺序依次投放。举例说明，等效粒径为25mm和35mm的三维骨料模型同属于中石，在进行投放时，先投放等效粒径为35mm的三维骨料模型，然后再投放等效粒径为25mm的三维骨料模型。

在投放过程中，具体为先按大石的三维骨料模型体积之和的目标值抽取所有的大石三维骨料模型，然后按等效粒径从大至小的顺序对所有的大石三维骨料模型进行排序，投放时首先投放排在第一位的大石三维骨料模型，然后再投放排在第二位的大石三维骨料模型……，直至将所有的大石三维骨料模型全部投放；然后按中石的三维骨料模型体积之和的目标值抽取所有的中石三维骨料模型，然后按等效粒径从大至小的顺序对所有的中石三维骨料模型进行排序，投放时首先投放排在第一位的中石三维骨料模型，然后再投放排在第二位的中石三维骨料模型……，直至将所有的中石三维骨料模型全部投放；然后按小石的三维骨料模型体积之和的目标值抽取所有的小石三维骨料模型，然后按等效粒径从大至小的顺序对所有的小石三维骨料模型进行排序，投放时首先投放排在第一位的小石三维骨料模型，然后再投放排在第二位的小石三维骨料模型……，直至将所有的小石三维骨料模型全部投放。

在实际投放过程中，也可以采用从小到大的投放顺序，或者先投放中石，再投放大石、再投放小石的投放顺序，本发明对此并不作限定。

优选地，所述预设的投放方法为：投放的第M+1个球体与投放的前M个球体均不重叠，M为大于1的自然数。

具体地，在空间直角坐标系中，将第一颗球Q1体置于样本空间中任意位置，再投放第二颗球体Q2，判断与是否重叠，若重叠则将Q2沿随机方向平移一段随机距离，再次判断Q2与Q1是否重叠，若重叠则重复此操作，若不重叠则停止。继续投放第三颗球体Q3，判断Q3与Q1和Q2是否重叠，若重叠则将Q3沿随机方向平移一段随机距离，直至Q3和Q1、Q2都不重叠停止。用该方式继续投放球体Q4、Q5、,…,Qn，直至达到目标骨料含量。

判断不重叠的方法具体为：设投放的第M+1个球体的球心坐标为

， 球体半径为

，前M个球体中第i个球体的球心坐标为

，球体半径为

，若满足

则不重叠。

在本实施例中，投放的目标骨料的含量为62%。

进一步地，所述非均质封底混凝土还包括细骨料基质和砂浆，所述步骤S240后还包括：

步骤S250、用细骨料基质和砂浆填充所述虚拟样本空间内骨料模型之外的区域，形成非均质封底混凝土模型。

所述细骨料基质的粒径小于4.75mm。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种非均质封底混凝土与钢护筒的粘结力的分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤（1）、构建骨料数据库，所述骨料数据库中包括多个三维骨料模型；

步骤（2）、确定所述非均质封底混凝土中骨料的目标含量范围，根据设计级配从所述骨料数据库中随机抽取三维骨料模型投放至虚拟样本空间内构建得到非均质封底混凝土模型，所述三维骨料模型的含量位于所述骨料的目标含量范围之内；

步骤（3）、根据钢护筒的预设设计参数构建钢护筒模型；

步骤（4）、将步骤（2）构建的所述非均质封底混凝土模型和步骤（3）构建的钢护筒模型导入有限元软件中，装配所述非均质封底混凝土模型和所述钢护筒模型，设置接触和相互作用，建立非均质封底混凝土与钢护筒的粘结模型；

步骤（5）、对步骤（4）所建立的所述封底混凝土与钢护筒的粘结模型划分网格，并施加边界条件和荷载进行计算分析，输出钢护筒应变分布以用于分析非均质封底混凝土与钢护筒的粘结力。

2.根据权利要求1所述的非均质封底混凝土与钢护筒的粘结力的分析方法，其特征在于，所述设计级配包括由小石组成的一级级配、由小石和中石组成的二级级配、由小石、中石和大石组成的三级级配和由小石、中石、大石和特大石组成的四级级配。

3.根据权利要求2所述的非均质封底混凝土与钢护筒的粘结力的分析方法，其特征在于，所述小石的三维骨料的等效粒径为5~20mm、所述中石的三维骨料的等效粒径为20～40mm、所述大石的三维骨料的等效粒径为40～80mm、所述特大石的三维骨料的等效粒径为80～120mm。

4.根据权利要求2或3所述的非均质封底混凝土与钢护筒的粘结力的分析方法，其特征在于，所述步骤（1）包括：

步骤1.1、按照第一预设方法构建多个二维骨料模型，将多个所述二维骨料模型的集合作为二维骨料数据库；

步骤1.2、从所述二维骨料数据库中随机抽取属于相同级别的N个目标二维骨料模型按照第二预设方法构建表面被划分为多个三角形网格的三维骨料模型，N为大于等于3且小于等于6的自然数，构建所述小石的二维骨料模型、构建所述中石的二维骨料模型、构建所述大石的二维骨料模型和构建所述特大石的二维骨料模型分别属于相同级别；其中，所述第二预设方法包括：

步骤S1、将所述N个目标二维骨料模型依次置于xoy平面上，且所述N个目标二维骨料的形心与所述xoy平面的原点重合；

步骤S2、使所述N个目标二维骨料模型沿Z轴方向间隔设置，且所述N个目标二维骨料模型的形心均位于Z轴上，其中，N个目标二维骨料模型中边数最多的第一目标二维骨料模型位于所述xoy平面上，其他N-1个目标二维骨料模型分别位于所述第一目标二维骨料模型的上方和下方；

步骤S3、按照预设连接规则将相邻的二个目标二维骨料模型的顶点依次连接形成多条直线，所有的直线均不会相互交叉且将所述相邻的二个目标二维骨料之间的表面划分为三角形；

步骤1.3、重复步骤1.2多次并改变从所述二维骨料数据库中随机选取的目标二维骨料模型以构建一系列不同形状的三维骨料模型，直至所述小石的三维骨料模型、所述中石的三维骨料模型、所述大石的三维骨料模型和所述特大石的三维骨料模型的数量均大于第一目标数量值；

步骤1.4、将所有生成的三维骨料模型的集合作为骨料数据库。

5.根据权利要求4所述的非均质封底混凝土与钢护筒的粘结力的分析方法，其特征在于，所述预设连接规则具体为，当相邻的两个所述目标二维骨料模型的顶点数量相同时，将距离最近的两个顶点用直线连接，且部分呈对角设置的两个顶点用直线连接；当相邻的两个所述目标二维骨料模型的顶点不同时，顶点个数较少的所述目标二维骨料模型的顶点与顶点个数较多的所述目标二维骨料模型的多个顶点连接。

6.根据权利要求4所述的非均质封底混凝土与钢护筒的粘结力的分析方法，其特征在于，所述步骤1.1中的第一预设方法包括以下步骤：

步骤A1、在极坐标系中生成一个极径为预设半径值的初始圆，所述预设半径值位于预设区间内，所述预设区间的范围基于所述小石、中石、大石和特大石的三维骨料模型的等效粒径确定；

步骤A2、随机生成一组角度增量

，并分别以j个角度增量之和

为旋转角度，按逆时针方向生成多条从原点出发的射线，将多条所述 射线与所述初始圆相交的点设定为初始采样点

，

其中：

式中，

均是0到1之间的随机数，n为大于等于6且小于等于12的整数；

步骤A3、以原点与初始采样点之间的距离为初始极径，设置极径的变化幅度

，对于每 一条初始极径，按预设计算公式随机生成一组新的极径

，并对应生成一组 新的采样点

，原点与新的采样点之间的距离与新的极径相对应，所述预设 计算公式为：

其中

是0到1之间的随机数，

是初始采样点对应的极径，

是新的采样点对应的极 径，

是极径的变化幅度；

步骤A4、顺次连接采样点

得到二维骨料模型；

步骤A5、重复步骤A1至A4并改变所述预设半径值、所述角度增量、所述

和所述μ以生 成不同形状的二维骨料模型，直至所述二维骨料模型的数量大于第二目标数量值。

7.根据权利要求2或3所述的非均质封底混凝土与钢护筒的粘结力的分析方法，其特征在于，所述步骤（2）包括：

步骤2.1、确定所述非均质封底混凝土中骨料的目标含量范围，并在空间直角坐标系中生成一个虚拟样本空间，所述虚拟样本空间与所述非均质封底混凝土所占空间对应；

步骤2.2、确定骨料的设计级配；

步骤2.3、根据所确定的设计级配从所述骨料数据库中随机抽取多个三维骨料模型作为目标骨料，并将所述目标骨料用等效直径的球体包裹；

步骤2.4、将所述目标骨料按预设的投放规则和预设的投放方法投入至所述虚拟样本空间内，所述目标骨料的含量位于所述骨料的目标含量范围之内。

8.根据权利要求7所述的非均质封底混凝土与钢护筒的粘结力的分析方法，其特征在于，所述步骤2.4中的所述预设的投放规则为：按所述目标骨料的等效粒径从大至小依次投放。

9.根据权利要求7所述的非均质封底混凝土与钢护筒的粘结力的分析方法，其特征在于，所述步骤2.4中的所述预设的投放方法为：投放的第M+1个球体与投放的前M个球体均不重叠，M为大于1的自然数。

10.根据权利要求7所述的非均质封底混凝土与钢护筒的粘结力的分析方法，其特征在于，所述非均质封底混凝土还包括细骨料基质和砂浆，所述步骤2.4后还包括：

步骤2.5、用细骨料基质和砂浆填充所述虚拟样本空间内三维骨料模型之外的区域，形成非均质封底混凝土模型。

Images