一種巖土模型的建模方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種巖土模型的建模方法，其特征在于，該方法根據(jù)顆粒巖體的自然形成過程，在規(guī)定區(qū)域內(nèi)使顆粒自然下落堆積、壓實(shí)和充分接觸，然后通過刪除規(guī)定形狀外的顆粒進(jìn)行構(gòu)型，計(jì)算至平衡得到初始地應(yīng)力場；與經(jīng)典步驟相比該方法不用計(jì)算mul，不用建立邊坡墻和土層間的分界墻，不用消除懸浮顆粒；但增加了顆粒下落計(jì)算和構(gòu)型過程；其包括如下步驟：生成模型外圍邊界墻，設(shè)置墻的剛度；在層巖土體豎直方向投影區(qū)域內(nèi)生成顆粒；設(shè)置重力加速度，顆粒密度，剛度，摩擦系數(shù)，并計(jì)算至需要的堆積高度；設(shè)置顆粒之間的相互作用；刪除不需要的顆粒，并計(jì)算至平衡；本發(fā)明可用于巖土工程模型的建立。
【專利說明】一種巖土模型的建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本I厥費(fèi)及巖十工稈,録;g/是族及巖土工程模擬時(shí)，對于松散顆粒狀巖土體的建 模。
【背景技術(shù)】
[0002]PFC3D是Itasca公司2008年發(fā)布的一款高端產(chǎn)品，特別適合于復(fù)雜機(jī)理性問題研 究。它是利用顯式差分算法和離散元理論開發(fā)的微/細(xì)觀力學(xué)程序，它是從介質(zhì)的基本粒 子結(jié)構(gòu)的角度考慮介質(zhì)的基本力學(xué)特性，并認(rèn)為給定介質(zhì)在不同應(yīng)力條件下的基本特性主 要取決于粒子之間接觸狀態(tài)的變化，適用研究粒狀集合體的破裂和破裂發(fā)展問題、以及顆 粒的流動(dòng)等大位移直問題。在巖土體工程中可以用來研究結(jié)構(gòu)開裂、堆石材料特性和穩(wěn)定 性、礦山崩落開采、邊坡解體、爆破沖擊等一系列傳統(tǒng)數(shù)值方法難以解決的問題。
[0003]PFC3D應(yīng)用難度較大，對用戶要求較高。國內(nèi)對PFC3D的應(yīng)用和研究并不多，張龍 等研究了雞尾山高速遠(yuǎn)程滑坡運(yùn)動(dòng)過程PFC3D模擬；陳宜楷對基于顆粒流離散元的尾礦庫 壩體進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。但是目前使用PFC3D所構(gòu)建的模型形狀都比較簡單，尺寸也比較 小，難以滿足實(shí)際工程的需要。
[0004]作者長時(shí)間從事模擬研究和工程模擬應(yīng)用。認(rèn)為根據(jù)PFC3D用戶手冊提供的建 模步驟，建模會(huì)出現(xiàn)一些問題，如半徑放大系數(shù)(mul)確定困難、不同性質(zhì)顆粒邊界的接觸 程度難以保證、刪除邊坡墻和土層間的分界墻后小球飛出的問題、在指定孔隙率后確定mul 時(shí)不考慮模型形狀的影響等。這些問題使模型構(gòu)建的不精確，構(gòu)建后模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)變形 較大導(dǎo)致返工等問題。
[0005]作者考慮到具有顆粒性質(zhì)巖土體形成過程是由于風(fēng)化、沉積等作用使顆粒在豎 直方向從下到上逐層堆積，并經(jīng)過自然壓實(shí)的過程。按照該思想構(gòu)建了”下落法(Fall Particles Method，F(xiàn)PM)”來構(gòu)造初始應(yīng)力場。論述了 FPM的基本步驟和優(yōu)缺點(diǎn)，并應(yīng)用于 尾礦庫及煤堆開挖實(shí)例。
[0006]根據(jù)PFC3D用戶手冊PROBLEM SOLVING WITH PFC3d中的介紹，巖土問題數(shù)值分析 的一般步驟如圖1所示。
[0007]PFC3D模型構(gòu)建過程存在的問題
1.半徑放大系數(shù)(mul)的確定問題
模型構(gòu)建的第一步就是產(chǎn)生顆粒，有BALL和GENERATE命令。BALL命令一般用于規(guī)則 結(jié)構(gòu)，GENERATE用于巖土結(jié)構(gòu),其中的參數(shù)rad rl r2表示顆粒的半徑在[rl, r2]隨機(jī)或 某一規(guī)律分布。顆粒的半徑和填充空間尺寸決定了顆粒的數(shù)量。在使用PROP設(shè)置顆粒的 密度、剪切模量和彈性模量后，就是初始化顆粒的半徑放大系數(shù)mul (定義見用戶手冊)，問 題是如何確定mul。如果mul較小,指定空間內(nèi)填充不滿，pfc3d將自動(dòng)擴(kuò)大mul繼續(xù)計(jì)算, 在具體的工程問題中，顆粒較多，時(shí)間成本很大；如果mul較大，pfc3d將自動(dòng)縮小mul繼續(xù) 計(jì)算，但是由于密度、剪切模量和彈性模量已經(jīng)設(shè)定，在分界墻和經(jīng)過最初mul放大后半徑 的限制下，顆粒球產(chǎn)生彈性變形。這時(shí)指定空間可以容納下顆粒，但是顆粒積攢了彈性能，即使執(zhí)行solve后也無法消除，當(dāng)平衡后刪除分界墻，顆粒就會(huì)向分界墻的限制方向飄逸。 這是由于調(diào)整mul的過程中，分界墻對顆粒一直施加了作用力。如果調(diào)整mul的過程中不使用分界墻，那么模型的形狀和分層巖土體形狀難以保證。如果使用分界墻，那么在最后計(jì)算初始地應(yīng)力平衡時(shí)必須刪除，以保證不同巖土層的充分接觸。無論mul較大或較小都存在這個(gè)問題，難以避免。本發(fā)明根據(jù)圖1和圖2，構(gòu)造的刪除分界墻前，和刪除分界墻后進(jìn)行平衡計(jì)算100時(shí)，尾礦庫的模型分別如圖3，4所示。
[0008]2不同性質(zhì)顆粒邊界的接觸
根據(jù)第一節(jié)所述步驟和用戶手冊的相關(guān)內(nèi)容，不同屬性的顆粒是分別產(chǎn)生的。如圖3 所示，不同屬性巖土層的形狀不同，要構(gòu)造規(guī)定形狀的巖土層，就要使用分界墻，但是使用分界墻存在問題。顆粒的半徑和填充空間尺寸決定了顆粒的數(shù)量，本人發(fā)現(xiàn)了分界墻組成的空間形狀也影響了顆粒的數(shù)量和孔隙率等相關(guān)參數(shù)。當(dāng)空間形狀有較小的角度時(shí)就會(huì)出現(xiàn)無法填充的問題。如圖5所示，為圖3中初期壩背側(cè)放大圖。
[0009]圖5中可以看出，土層尖端處沒有顆粒填充。當(dāng)然顆粒越小這個(gè)問題越不明顯，但是計(jì)算成本會(huì)指數(shù)上升。這個(gè)現(xiàn)象從另一個(gè)方面看，可以認(rèn)為在去掉分界墻前，各層巖土顆粒之間的接觸程度難以保證，這顯然不對，如圖6所示。如果去掉分界墻，未填充的空間在重力作用下其上部顆粒向下移動(dòng)，同時(shí)與分界墻接觸受限制的小球失去了墻的約束會(huì)向反方向移動(dòng)，使模型嚴(yán)重變形，這也是造成圖4現(xiàn)象的原因。
[0010]3孔隙率問題
在實(shí)際的工程問題中，顆粒體的一個(gè)重要參數(shù)就是孔隙率。在PFC3D中經(jīng)常要構(gòu)建指定孔隙率的顆粒體。PFC3D中孔隙率n的定義如圖21中公式所示。
[0011]式中:Vp是分界墻構(gòu)建模型內(nèi)容納的顆粒體積，V是界墻構(gòu)建模型體積。
[0012]PFC3D中給出了構(gòu)建指定孔隙率模型的方法，推導(dǎo)過程如圖22所示。
[0013]式中W是顆粒半徑，^ld是上一次計(jì)算得到的顆粒半徑，/7-是上一次計(jì)算得到的模型孔隙率，?是調(diào)整系數(shù)，即mul。
[0014]PFC3D中的命令流為: loop while bp # null
sum = sum + (4.0/3.0) *` pi * b_rad (bp)A 3 bp = b—next(bp) end—loop
pmeas = LO- sum / tot_vol
—mult= ((1.0-poros) / (1.0-pmeas))A (1.0/3.0)。
[0015]但圖22中公式存在問題，推導(dǎo)的第一步認(rèn)為模型中非空隙的部分全部是顆粒球體的體積。這是理想的，沒有考慮球體彈性變形，更嚴(yán)重的是未考慮模型尖端空隙部分，如圖5中的模型尖端空隙部分。這種理想情況導(dǎo)致了應(yīng)被球體填充的空間未被填充，使Vp減小，n增加，m增加。最終的mul大于適用的mul。進(jìn)而使球體產(chǎn)生更大的變形，刪除分界墻后顆粒的飄逸現(xiàn)象更嚴(yán)重。形狀越復(fù)雜，mul越不準(zhǔn)確。
[0016]針對上述實(shí)際工程中遇到的問題，作者提出了 FPM構(gòu)建PFC3D模型。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0017]針對根據(jù)PFC3D用戶手冊提供的建模步驟，建模會(huì)出現(xiàn)一些問題，如半徑放大系 數(shù)(mul)確定困難、不同性質(zhì)顆粒邊界的接觸程度難以保證、刪除邊坡墻和土層間的分界 墻后小球飛出的問題、在指定孔隙率后確定mul時(shí)不考慮模型形狀的影響等。這些問題使 模型構(gòu)建的不精確，構(gòu)建后模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)變形較大導(dǎo)致返工等問題。考慮到具有顆粒性 質(zhì)巖土體形成過程是由于風(fēng)化、沉積等作用使顆粒在豎直方向從下到上逐層堆積，并經(jīng)過 自然壓實(shí)的過程，按照該思想構(gòu)建了“下落法(Fall Particles Method, FPM)”來構(gòu)造巖土 模型。
[0018]1.下落法構(gòu)建模型的過程
FPM是通過使顆粒在豎直方向從下到上逐層堆積并壓實(shí)的過程構(gòu)造模型的，下落法分 為整體下落法(Overall Particles Fall Method, OPFM)和分層下落法(Hierarchical Particles Fall Method, HPFM)。其流程分別如圖7，8所示。圖9所示為HPFM構(gòu)建尾礦
庫第三巖土層的過程。
[0019]圖9顯示了 HPFM構(gòu)造一層巖土體的過程。從實(shí)質(zhì)上述OPFM和HPFM是一致的，區(qū) 別在于HPFM的巖土體屬性設(shè)置和平衡計(jì)算是分步的，更接近于實(shí)際情況；而OPFM是通過 FISH語句定向判斷每個(gè)球的所在土層然后賦值的。前者平衡計(jì)算消耗時(shí)間較多，后者屬性 設(shè)置消耗時(shí)間較多。
[0020]2.刪除不需要顆粒的方法
這里需要說明的是兩種方法中，刪除不需要顆粒的方法都是FISH語句。但是具體的實(shí) 現(xiàn)又分為兩種方法，這兩種方法可以簡單的表述為刪除指定區(qū)域內(nèi)的顆粒和判斷顆粒在指 定刪除區(qū)域后刪除，前者使用命令流range定位，后者使用FISH語句find_ball (id)定位。 前者的效率較高，但不精確，后者相反。巖土層形狀越復(fù)雜兩者的效率越接近。圖9中模型 使用了后者進(jìn)行顆粒刪除，其命令流如下所示，前者命令流見第4節(jié)。使用HPFM構(gòu)造的尾 礦庫最終計(jì)算至平衡的模型如圖10所示。模型的CForce Chains如圖11所示。
[0021]def delz3
loop nn (20001, 23000) bp=find_ball(nn)
_brad = b_rad(bp)
_bx = b_x(bp)
_by = b_y(bp)
_bz = b_z(bp)
sx=-140
Ix=IOO
sy=0
ly=20
sz=0
Izl=0.125*_bx+17.5 ;曲線的確定是根據(jù)圖9中第三巖土層豎直方向最高點(diǎn)和最低 點(diǎn)確定的。
[0022]if _bx>sx then if bx〈100 thenif Jozyizl then command
del ball range id =nn end—command end—if end—if end—if end—loop end
圖10與圖3相比外包絡(luò)線和不同性質(zhì)巖土層分界線不是平滑的，而是粗糙的，符合實(shí)際情況。圖10與圖4相比，圖4只計(jì)算100步就出現(xiàn)了嚴(yán)重的顆粒飄逸現(xiàn)象，而且不同巖土層的顆粒已進(jìn)入其他巖土層，這是錯(cuò)誤的，導(dǎo)致整個(gè)模型嚴(yán)重變形。圖10已經(jīng)計(jì)算到平衡狀態(tài)，沒出現(xiàn)圖4中的錯(cuò)誤現(xiàn)象，唯一出現(xiàn)的明顯變形是最下層基巖左端被尾礦庫重力擠壓隆起。
【專利附圖】

【附圖說明】[0023]圖1巖土數(shù)值分析的推薦步驟。[0024]圖2顆粒流實(shí)際模型建立的流程圖。[0025]圖3刪除分界墻前的尾礦庫模型。[0026]圖4刪除分界墻后進(jìn)行平衡計(jì)算100時(shí)尾礦庫模型。[0027]圖5初期壩背側(cè)放大圖。[0028]圖6初期壩背側(cè)區(qū)域接觸情況。[0029]圖7HPFM流程圖。[0030]圖8OPFM流程圖。[0031]圖9HPFM構(gòu)建尾礦庫第三巖土層的過程。[0032]圖10尾礦庫最終模型。[0033]圖11模型的 CForce Chains。[0034]圖12使用OPFM構(gòu)造的煤堆及其開挖后的重要參數(shù)圖示。[0035]圖13使用OPFM構(gòu)造的煤堆及其開挖后的重要參數(shù)圖示。[0036]圖14使用OPFM構(gòu)造的煤堆及其開挖后的重要參數(shù)圖示。[0037]圖15使用OPFM構(gòu)造的煤堆及其開挖后的重要參數(shù)圖示。[0038]圖16使用OPFM構(gòu)造的煤堆及其開挖后的重要參數(shù)圖示。[0039]圖17使用OPFM構(gòu)造的煤堆及其開挖后的重要參數(shù)圖示。[0040]圖18使用OPFM構(gòu)造的煤堆及其開挖后的重要參數(shù)圖示。[0041]圖19使用OPFM構(gòu)造的煤堆及其開挖后的重要參數(shù)圖示。[0042]圖20使用OPFM構(gòu)造的煤堆及其開挖后的重要參數(shù)圖示。[0043]圖21孔隙率n的定義公式。[0044]圖22構(gòu)建指定孔隙率模型的公式?！揪唧w實(shí)施方式】
[0045]在上述分析中為說明下落法，特別是HPFM的原理和使用，列舉了尾礦庫的例子。
[0046]這里舉例對OPFM和另一種刪除顆粒的方法進(jìn)行論述。該例為某工廠的煤堆，該工 廠在進(jìn)行生產(chǎn)過程中需使用大量的煤，煤堆體積較大。由于在從煤堆坡腳處取煤過程中，不 慎造成煤堆的滑坡的事故。我研究所受該工廠委托分析造成事故的原因，及其預(yù)防措施。對 于該煤堆分析特別適用于FPC3D，以此例說明OPFM的構(gòu)建過程。相關(guān)參數(shù)為:煤堆頂面距地 面高(坡高)30m，坡長38.5m。由于硬件限制和分析要求，模型的寬取0.5m。地面的摩擦系 數(shù)為0.3，顆粒的摩擦系數(shù)為0.3，煤的密度為1400kg/m3，彈性模量和剪切模量為I X IO8Pa, 顆粒半徑范圍[0.05m, 0.15m]。開挖部分高為3.5m,寬為3m的斜三角形，如圖16。
[0047]圖12至圖20顯示了使用OPFM構(gòu)造煤堆的過程，并進(jìn)行了開挖，得到了開挖后的 各場的矢量圖。這里給出另一種刪除顆粒的方法，代碼如下:
del ball range z 30.1 100 def delz2
num=(46.5-8)/0.1 ;0.1為顆粒的最小粒徑。
[0048]loop nn (I, num) xl=8+0.1* (nn-1) x2=8+0.l*nn
zl=-0.7792*(xl+x2)/2+36.2338 ;曲線的確定是根據(jù)圖17所示巖土層豎直方向最高 點(diǎn)和最低點(diǎn)確定的。
[0049]z2=100 command
del ball range x xl x2 z zl z2 end—command end—loop end
作者提出并實(shí)現(xiàn)了 “下落法”對Pfc3d巖土模型的構(gòu)造，根據(jù)顆粒巖體的自然形成過 程，使小球自然下落堆積、壓實(shí)和充分接觸，然后刪除顆粒進(jìn)行構(gòu)型，計(jì)算至平衡得到初始 地應(yīng)力場模型。主要特點(diǎn)如下:
I)指出了使用用戶手冊提供的建模步驟進(jìn)行巖土模型構(gòu)建過程中的問題。主要包括: 半徑放大系數(shù)(mul)的確定問題，不同性質(zhì)顆粒邊界的接觸程度問題，孔隙率對半徑放大 系數(shù)的影響問題。
[0050]2)提出了下落法構(gòu)造模型的步驟。下落法可分為OPFM和HPFM，區(qū)別在于HPFM的 巖土體屬性設(shè)置和平衡計(jì)算是分步的，更接近于實(shí)際情況；而OPFM是通過FISH語句定向判 斷每個(gè)球的所在土層然后賦值的。前者平衡計(jì)算消耗時(shí)間較多，后者屬性設(shè)置消耗時(shí)間較多。
[0051]3)提供了兩種刪除顆粒的構(gòu)型方法。兩種方法可以表述為刪除指定區(qū)域內(nèi)的顆粒 和判斷顆粒在指定刪除區(qū)域后刪除，前者使用命令流range定位，后者使用FISH語句find_ ball (id)定位。前者的效率較高，但不精確，后者相反。巖土層形狀越復(fù)雜兩者的效率越接 近。并給出了兩種方法的代碼。
【權(quán)利要求】
1.一種巖土模型的建模方法，差遵遼?亥方法根據(jù)顆粒巖體的自然形成過程，在規(guī)定區(qū)域內(nèi)使顆粒自然下落堆積、壓實(shí)和充分接觸，然后通過刪除規(guī)定形狀外的顆粒進(jìn)行構(gòu)型，計(jì)算至平衡得到初始地應(yīng)力場；與經(jīng)典步驟相比該方法不用計(jì)算mul，不用建立邊坡墻和土層間的分界墻，不用消除懸浮顆粒；但增加了顆粒下落計(jì)算和構(gòu)型過程?、其包括如下步驟:生成模型外圍邊界墻，設(shè)置墻的剛度;在層巖土體豎直方向投影區(qū)域內(nèi)生成顆粒；設(shè)置重力加速度，顆粒密度，剛度，摩擦系數(shù)，并計(jì)算至需要的堆積高度；設(shè)置顆粒之間的相互作用；刪除不需要的顆粒，并計(jì)算至平衡;基發(fā)巡^￡巖土工程模型的建立。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種巖土模型的建模方法，其特征在于，該方法根據(jù)顆粒巖體的自然形成過程，在規(guī)定區(qū)域內(nèi)使顆粒自然下落堆積、壓實(shí)和充分接觸，然后通過刪除規(guī)定形狀外的顆粒進(jìn)行構(gòu)型，計(jì)算至平衡得到初始地應(yīng)力場，命名為“下落法(Fall Particles Method, FPM)，，。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的下落法，其特征在于，F(xiàn)PM是通過使顆粒在豎直方向從下到上逐層堆積并壓實(shí)的過程構(gòu)造模型的，下落法分為整體下落法(Overall Particles Fall Method, OPFM)和分層下落法(Hierarchical Particles Fall Method, HPFM)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的整體下落法，其特征在于，包括:1)生成模型外圍邊界墻，設(shè)置墻的剛度；2)設(shè)置當(dāng)前層巖土體的外圍邊界墻，設(shè)置墻的剛度；3)在當(dāng)前層巖土體豎直方向投影區(qū)域內(nèi)生成顆粒；4)設(shè)置重力加速度，顆粒密度，剛度，摩擦系數(shù)，并計(jì)算至需要的堆積高度；5)設(shè)置顆粒之間的相互作用，n_bond, s_bond ；6)刪除不需要的顆粒，并計(jì)算至平衡；7)是否完成最頂層構(gòu)造；8)調(diào)整相關(guān)參數(shù)，并計(jì)算至平衡。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的分層下落法，其特征在于，包括:1)生成模型外圍邊界墻，設(shè)置墻的剛度；2)設(shè)置當(dāng)前層巖土體的外圍邊界墻，設(shè)置墻的剛度；3)設(shè)置重力加速度，顆粒密度，剛度，摩擦系數(shù)，并計(jì)算至需要的堆積高度；4)設(shè)置顆粒之間的相互作用，n_bond, s_ bond ；5)刪除不需要的顆粒，并計(jì)算至平衡；6)調(diào)整相關(guān)參數(shù)，并計(jì)算至平衡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的建模方法，其特征在于，與經(jīng)典PFC3D建模步驟相比該方法不用計(jì)算mul，不用建立邊坡墻和土層間的分界墻，不用消除懸浮顆粒。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的建模方法，其特征在于，與經(jīng)典PFC3D建模步驟相比增加了顆粒下落計(jì)算和構(gòu)型過程。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刪除規(guī)定形狀外的顆粒，其特征在于，兩種方法中，刪除不需要顆粒的方法都是FISH語句。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的兩種方法中，其特征在于，這兩種方法可以簡單的表述為刪除指定區(qū)域內(nèi)的顆粒和判斷顆粒在指定刪除區(qū)域后刪除，前者使用命令流range定位，后者使用FISH語句find_ball(id)定位；前者的效率較高，但不精確，后者相反；巖土層形狀越復(fù)雜兩者的效率越接近。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103500259SQ201310490587
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月19日
【發(fā)明者】赫飛, 趙東洋, 崔鐵軍, 吳迪 申請人:遼寧工程技術(shù)大學(xué)