一种用于离散元计算即时估算离散介质密实度的方法及存储介质

摘要

本发明公开了一种用于离散元计算即时估算离散介质密实度的方法及存储介质，其方法包括：选择N个代表性抛石，对代表性抛石进行三维轮廓扫描作为抛石体颗粒生成的模板；设置抛石体的投放区域，利用自重下落法随机生成抛石体颗粒，进行分层自重沉积，构成自然堆积的抛石体三维基床模型；采用锤夯/振动模拟方法对抛石体三维基床模型进行密实，在间隔时间或间隔时步内更新密实区域地表面貌的变化，估算出密实区域的局部密实度变化与整体区域的密实度变化。本发明通过设计工程的需求，在PFC3D计算平台中模拟荷载施加后对抛石体密实度的影响，利用密实度与荷载施加的模拟工艺参数的关系，来指导实际工程参数优化，提高工程实施工艺的合理性和准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程离散元数值模拟技术领域，具体涉及一种用于离散元计算即时估算离散介质密实度的方法及存储介质。

背景技术

抛石基床是重力式码头、防波堤、沉管隧道广泛采用的基础型式，具有承载能力大、抗滑移、经济实惠等优点。但是天然形成的抛石基床，其密实度较低，一般只有0.4～0.5，工程中为了提高承载力，一般是利用锤夯密实、振动密实等方法使介质更加密实，从而提高基床承载力。此时密实度是非常重要的设计参数，其定义为单位体积内抛石实体体积所占比例，一般是人工量测沉降量来计算。

在研究锤夯、振动密实作用机理时，颗粒离散元方法是最常用的数值模拟方法，如果也采用外力作用后量测沉降的方法也可以得到密实度数值，但这样做无法反映外载作用过程中的密实度变化规律，此时如何即时测控颗粒体系的密实度较为困难。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：

一种用于离散元计算即时估算离散介质密实度的方法，包括：

选择N个代表性抛石，对代表性抛石进行三维轮廓扫描作为抛石体颗粒生成的模板；

设置抛石体的投放区域，利用自重下落法随机生成抛石体颗粒，进行分层自重沉积，构成自然堆积的抛石体三维基床模型；

采用锤夯/振动模拟方法对抛石体三维基床模型进行密实，在间隔时间或间隔时步内更新密实区域地表面貌的变化，估算出密实区域的局部密实度变化与整体区域的密实度变化。

本发明进一步设置为所述代表性抛石是从工程抛石体中随机选择，利用激光扫描仪分别对抛石体颗粒进行三维轮廓扫描，得到由三角形面围成的颗粒轮廓形状，三角形面组合存储为stl或dxf格式并被PFC3D计算平台识别。

本发明进一步设置为所述代表性抛石的颗粒表面由一系列三角形面连接而成，所述三角形面的数目在2000～5000。

本发明进一步设置为在颗粒流数值计算平台PFC3D中定义模型边界，模型边界包括抛石基床和投放区域，设置抛石基床和投放区域的设计参数，所述设计参数包括长度、宽度和厚度。

本发明进一步设置为统计获取工程中抛石体的粒径与级配曲线，利用PFC3D计算平台中的随机颗粒投放命令，设定孔隙率，在抛石投放区域随机生成一定量的刚性块模型，设置刚性块模型的密度与接触刚度，模拟在重力作用下刚性块模型自由下落沉积到抛石基床。

本发明进一步设置为根据抛石基床的高度自下而上逐层生成抛石块体，每一层采用级配由大到小随机生成抛石块体，生成抛石块体后去除孤独的抛石颗粒，稳定后的抛石块体按照抛石基床的设计参数，删除中心高度超过厚度的抛石颗粒。

本发明进一步设置为根据抛石体三维基床模型的范围设置锤夯/振动模拟的等效平台，设置等效平台的等效参数，根据等效平台的等效参数对抛石体三维基床模型进行分区密实，采用等效平台分别对抛石体三维基床模型的各密实区域进行荷载施加，荷载施加的参数包括激振力、频率、振动时间和振动遍数。

本发明进一步设置为将抛石体三维基床模型按长度和宽度方向划分成M×M的矩形区域，记录各矩形区域顶点所在坐标附近每个抛石颗粒的中心高度，将坐标附近每个抛石颗粒的中心高度进行逐个比较，获取同一坐标下抛石颗粒的最大高度，将矩形区域四个顶点处最大抛石高度取平均值得到当前矩形区域抛石体的平均高度，对每个矩形区域抛石体的平均高度取平均值得到抛石体的顶部平均高度。

本发明进一步设置为在荷载施加结束后，实时获取密实区域抛石体的顶部平均高度来计算抛石基床的抛石体的体积，计算抛石基床的抛石体的密实度，并生成密实度随间隔时间/间隔时步变化的曲线图。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述程序指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明提供了一种用于离散元计算即时估算离散介质密实度的方法，首先根据工程抛石体颗粒形状构造代表性抛石模板，基于颗粒流刚性块随机构造方法生成随机抛石体，然后根据抛石体自重堆积的特点逐层自重堆积体，形成与设计介质级配一致的散体材料，然后采用表层分区扫描法建立监控几何面，利用地表面貌变化计算抛石体的体积，得到抛石基床设计中非常重要的参数密实度。本发明通过设计工程的需求，在PFC3D计算平台中模拟荷载施加后对抛石体密实度的影响，利用密实度与荷载施加的模拟工艺参数的关系，来指导实际工程参数优化，提高工程实施工艺的合理性和准确性。

附图说明

图1是本发明实施例方法流程图。

图2是本发明实施例典型颗粒的外轮廓扫描前与扫描后的示意图。

图3是本发明实施例抛石基床细观模型约束墙设置示意图。

图4是本发明实施例抛石体自重堆积过程示意图。

图5是本发明实施例抛石体堆积稳定后效果示意图。

图6是本发明实施例提供的抛石基床分区密实示意图。

图7是本发明实施例提供的地表面貌几何即时更新示意图。

图8是本发明实施例提供的密实度随时间变化曲线图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图及实施例对本发明作详细描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，一体地连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例1

结合附图1至附图8，本发明技术方案是一种用于离散元计算即时估算离散介质密实度的方法，包括：

选择N个代表性抛石，对代表性抛石进行三维轮廓扫描作为抛石体颗粒生成的模板；

设置抛石体的投放区域，利用自重下落法随机生成抛石体颗粒，进行分层自重沉积，构成自然堆积的抛石体三维基床模型；

采用锤夯/振动模拟方法对抛石体三维基床模型进行密实，在间隔时间或间隔时步内更新密实区域地表面貌的变化，估算出密实区域的局部密实度变化与整体区域的密实度变化。

在本实施例中，根据局部或整体区域密实度变化规律指导工程参数。

在本实施例中，所述代表性抛石是从工程抛石体颗粒中随机选择，利用激光扫描仪分别对抛石体颗粒进行三维轮廓扫描，得到由三角形面围成的颗粒轮廓形状，三角形面组合存储为stl或dxf格式并被PFC3D计算平台识别，具体如图2所示的一个典型抛石体颗粒的外轮廓扫描前与扫描后的三角网格。

在本实施例中，所述代表性抛石的颗粒表面由一系列三角形面连接而成，所述三角形面的数目在2000～5000，在实践中，为了兼顾密实度模拟精度和计算效率，三角形面的数目在2000～5000是最合适的区间。

在本实施例中，在颗粒流数值计算平台PFC3D中定义模型边界，模型边界包括抛石基床和投放区域，设置抛石基床和投放区域的设计参数，所述设计参数包括长度、宽度和厚度。抛石基床位于投放区域的下方，抛石基床的长度、宽度与投放区域的长度、宽度一致，投放区域的厚度比抛石基床的厚度略大。

在本实施例中，统计获取工程中抛石体的粒径与级配曲线，利用PFC3D计算平台中的随机颗粒投放命令(rblock distribute)，设定孔隙率为0.4～0.5，在抛石投放区域随机生成一定量的刚性块模型，设置刚性块模型的密度与接触刚度，模拟在重力作用下刚性块模型自由下落沉积到抛石基床。

在本实施例中，级配通过筛分法统计获取。

在本实施例中，根据抛石基床的高度自下而上逐层生成抛石块体，每一层采用级配由大到小随机生成抛石块体，生成抛石块体后去除孤独的抛石颗粒，稳定后的抛石块体按照抛石基床的设计参数，删除中心高度超过厚度的抛石颗粒。孤独的抛石颗粒是指与其它颗粒形成接触数目小于3。

在本实施例中，根据抛石体三维基床模型的范围设置锤夯/振动模拟的等效平台，设置等效平台的等效参数，根据等效平台的等效参数对抛石体三维基床模型进行分区密实，采用等效平台分别对抛石体三维基床模型的各密实区域进行荷载施加，荷载施加的参数包括激振力、频率、振动时间和振动遍数。等效平台的等效参数包括长度、宽度、高度及密度；通常等效平台的长度、宽度不大于抛石基床的长度、宽度。

在本实施例中，将抛石体三维基床模型按长度和宽度方向划分成M×M的矩形区域，记录各矩形区域顶点所在坐标附近每个抛石颗粒的中心高度，将坐标附近每个抛石颗粒的中心高度进行逐个比较，获取同一坐标下抛石颗粒的最大高度，将矩形区域四个顶点处最大抛石高度取平均值得到当前矩形区域抛石体的平均高度，对每个矩形区域抛石体的平均高度取平均值得到抛石体的顶部平均高度。通过表层分区扫描法建立监控几何面，利用地表面貌变化计算抛石体的体积，从而计算得到抛石体的密实度。

在本实施例中，在荷载施加结束后，实时获取密实区域抛石体的顶部平均高度来计算抛石基床的抛石体的体积，计算抛石基床的抛石体的密实度，并生成密实度随间隔时间/间隔时步变化的曲线图。间隔时步可以是固定的时间内完成一次抛石体的表层密实。

为了更好地了解本发明，以下结合一个具体实时方式，对上述实施例中涉及到的内容进行说明。

某抛石基床计算范围，水平x向取5m，水平y向取5m，垂直z向取3.6m，抛石体由10cm～30cm，重量10kg～100kg石块构成，由于基床位于水下无法人工观测，需要利用颗粒流数值模拟方法研究振动密实机理，探求密实度与振密参数间的关系。因此利用本发明实现细观抛石基床振动密实过程中的密实度监控，实施步骤如下：

从工程抛石体中随机选择代表性抛石，粒径在2cm～50cm之间(激光扫描仪工作尺寸)，数目N为10个，利用激光扫描仪分别对颗粒进行三维轮廓扫描，得三角形面围成的颗粒轮廓形状，这些三角形组合可以存储为stl或dxf格式，并被PFC3D平台识别；

在颗粒流数值计算平台PFC3D中定义模型边界，所示模型边界采用墙的形式提供，其中抛石基床部分边界由5个四边形墙构成，对应图3中的下部分，图3中的上部分为投放区域，即颗粒投放约束墙，同样由5个四边形墙构成；

利用PFC3D计算平台中的rblock distribute命令在模型上部投放区随机生成厚度0.5m的抛石，由于抛石之间可以重叠，故抛石可能飞散，上部约束墙可将刚性块弹回，再自重落地，如图4所示；为了保证抛石体形成与实际工程接近，在投放区域不同高度自下而上逐层生成用三维轮廓扫描抛石体颗粒为模板、粒径按照级配随机变化的抛石颗粒，每一层均采用逐级配(由大到小)随机生成抛石块体；

对于每一层抛石，自重作用下堆积基本平衡后再进行下一层抛投，生成抛石块体后，检查去除孤独的抛石颗粒(与其它颗粒形成接触数目小于3)，抛石堆积稳定供以后计算使用，稳定后的抛石体，可按照基床厚度H进行判断，抛石颗粒的中心高度超过H的删除，则得如图5所示抛石基床模型；

根据锤夯作用或振动密实平台尺寸等效为长方体振动密实作用平台长度5m、宽度4m、高度0.9m，密度7800kg/m

抛石体按照长宽方向划分为10×10矩形区域，记录各矩形区域顶点所在x、y坐标附近(水平平面内距离点3倍抛石粒径范围内)每个抛石中心高度，并将每个抛石高度进行逐个比较，找处同一x、y坐标下抛石最大高度，将获得的矩形区域四个顶点处最大抛石高度取平均值，即可获得当前矩形区域抛石体平均高度，每个矩形区域通过其四个顶点坐标写成一个四边形面并输出，如图7所示；对10×10所在区域的每个矩形区域重复上述操作，并取平均值即可获得此时振密区抛石体的顶部高度，该计算过程在每个时步内更新并记录，得出振密区抛石体的体积，从而计算得到当前密实度；

抛石体的密实度能够很好的反映抛石基床的压密程度，如图8为四个区域分别工作一遍后引起的密实度变化，因此对基床振密区范围内的抛石体积进行实时统计，利用密实度曲线可反映加载板上激振力、频率、振动时间、振动遍数对振动密实效果的影响，可以确定合理的工艺参数。例如设计密实度为0.6，按照本发明对密实度的监控规律，可以通过改变激振力振幅、频率、振动时间来获得，也可以不改变荷载增加振动遍数的方式来实现，从而对实际工程密实作业的指导。

实施例2

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述程序指令被处理器执行时实现实施例1所述方法的步骤。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。