建立级配碎石抗剪性能数值预估模型的方法技术

本发明专利技术公开了一种建立级配碎石抗剪性能数值预估模型的方法，包括以下步骤：(1)选取样本颗粒；(2)粗集料颗粒虚拟建模：获取样品颗粒的轮廓坐标，建立虚拟颗粒母体样本，完成大批量颗粒成型的目标；(3)剪切试件虚拟建模：建立墙模型来模拟试模，筛除错误逃逸颗粒；(4)虚拟剪切模型加载：对墙模型分别在不同阶段赋予伺服运行机制、恒速运行机制，来模拟抗剪试验中应力、应变控制两种方式；(5)试验结果统计与整理：记录抗剪试验过程中应力应变曲线以及极限破坏状态下的应力应变数据。本发明专利技术通过批量建立级配碎石抗剪性能数值预估模型，完成抗剪性能评价的数值仿真，能够较为快速的评价级配碎石的抗剪特征。

A method for establishing a numerical prediction model for shear performance of graded crushed stones

The invention discloses a method for establishing the shear performance of graded gravel numerical prediction model, which comprises the following steps: (1) the sample particles; (2) coarse aggregate modeling: contour coordinates of sample particles to establish virtual particles in bulk sample matrix, particle forming target; (3) shear specimen: the establishment of virtual modeling wall model to simulate the test mode, excluding error escaping particles; (4) the virtual model: on the wall shear loading model respectively in different stages with servo mechanism, constant speed operation mechanism, to simulate the shear stress and the strain of two kinds of control should test; (5) the test results statistics and finishing: during the test stress-strain curves and ultimate failure stress and strain data recorded under shear state. By establishing the numerical prediction model of shear performance of graded gravel, the numerical simulation of shear performance evaluation can be completed by the invention, and the shear characteristics of graded aggregate can be evaluated more quickly.

【技术实现步骤摘要】
建立级配碎石抗剪性能数值预估模型的方法
本专利技术涉及道路工程数值仿真方法，尤其涉及一种建立级配碎石抗剪性能数值预估模型的方法。
技术介绍
作为最基本的路用材料，级配碎石广泛运用于沥青路面的基层、底基层中，作为支撑路面的功能型结构，级配碎石层的抗剪性能至关重要，较高的抗剪强度能够使得级配碎石层具有较好的承载能力，保证面层的平整。而在现有的道路工程中，对于级配碎石层抗剪性能的评价较为单一，主要依赖于室内试验，不仅操作复杂，实验结果还受外部环境的影响，同时大量的室内试验耗费巨大，不能够快捷、全面的评价级配碎石的材料属性。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术提供一种建立级配碎石抗剪性能数值预估模型的方法，能够快速评价级配碎石的抗剪特征，为实际道路工程中的材料评价提供指导。技术方案：本专利技术包括以下步骤：(1)选取样本颗粒；(2)粗集料颗粒虚拟建模：获取样品颗粒的轮廓坐标，建立虚拟颗粒母体样本，完成大批量颗粒成型的目标；(3)剪切试件虚拟建模：建立墙模型来模拟试模，筛除错误逃逸颗粒；(4)虚拟剪切模型加载：对墙模型分别在不同阶段赋予伺服运行机制、恒速运行机制，来模拟抗剪试验中应力、应变控制两种方式。(5)试验结果统计与整理：记录抗剪试验过程中应力应变曲线以及极限破坏状态下的应力应变数据。步骤(1)中，筛选出的级配碎石颗粒粒径在所需范围内，颗粒长度小于其粒径的2.4倍，厚度大于其粒径的0.4倍。步骤(2)中，将样本颗粒的轮廓坐标统一缩放为所需范围内的某固定数值粒径的坐标数据，并进行边缘筛选，成型为该固定数值的虚拟颗粒，建立每档粒径的控制随机数；当成型其它粒径颗粒时，在该固定数值的虚拟颗粒基础上，将该固定数值的轮廓坐标数据统一乘以某一种控制随机数，以完成其它粒径颗粒的批量成型,各档粒径空置随机数按照下述公式计算，其中Urand是在0-1之间均匀分布的随机数：①②③④⑤⑥其次，需要对固定数值颗粒的边缘轮廓坐标进行筛选，首先选取起始坐标与筛选阈值，起始坐标选择随机。以起始坐标为起点，按照颗粒轮廓坐标顺时针判断，以筛选阈值为步长，坐标之间的距离在阈值以内的筛除，直到找到第一个阈值以外的坐标作为新的起点，以新的起点为开始，继续上述判断筛选过程，直至所有坐标判断结束。步骤(3)中，首先成型粗集料虚拟骨架，通过遍历生成小球生成细集料，对成型的虚拟试件运行一定步数至稳定状态，通过动态接触判别方法，筛除错误逃逸颗粒。其动态接触判别方法原理如下:①运行足够数量的计算步，使得颗粒保持稳定状态，试件体系的不平衡力应该小于一定的控制值，该值建议为；②固定粗集料圆盘x，y方向速度为0，赋予细集料圆盘一个较小的沿y轴向上的初速度，并运行极小的计算步，向上的初速度推荐为0.1m/s,计算步推荐为100；③在运行的100计算步内，实时监控每一个细集料圆盘周围接触。若该细集料圆盘周围接触链的头指针为null，则该判断颗粒为逃逸颗粒；④循环③④步骤4-5次，直至判断出所有的逃逸颗粒；⑤删除所有逃逸颗粒。步骤(4)中，在虚拟试验前先进行预压，预压稳定后保持侧面墙围压不变，上下两个加载墙以恒应变速率进行加载。步骤(5)中，进行不同围压下的抗剪模拟试验，记录试验过程中的应力应变曲线，以及极限破坏状态下的应力应变数据。有益效果：本专利技术的优点在于：(1)通过控制随机数批量成型虚拟颗粒，快捷便利，满足了大批量颗粒的实验模拟任务；(2)通过边缘信息筛选降低了原盘容量，提高了效率，提出一种全新的动态接触判断方法，能够较为快速的判断错误逃逸颗粒；(3)通过建立虚拟抗剪试验模型，以伺服机制模拟应力控制方式，以恒速机制模拟应变控制方式，通过不同围压下的抗剪加载，快速得出级配碎石的抗剪性能指标，为实际工程应用提供指导。附图说明图1为本专利技术的虚拟抗剪试验示意图；图2为本专利技术的动态接触判别筛选错误逃逸颗粒示意图；图3所示为本专利技术的虚拟抗剪试验应力应变曲线示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作更进一步的说明。如图1所示，包括以下步骤：(1)选取5个样本颗粒，颗粒粒径应在19-26.5mm之间，棱角形态较为明显，同时，选择的样品颗粒其长度应不大于其粒径的2.4倍，厚度不小于其粒径的0.4倍；(2)粗集料颗粒虚拟建模：通过图像处理技术获取5个样品颗粒的轮廓坐标，将所有的坐标数据放缩为粒径为19mm的颗粒的坐标数据，并进行一定的边缘筛选，将放缩筛选后的坐标数据导入PFC2D内，成型粒径为19mm的虚拟颗粒，建立每档粒径的控制随机数，如下：①②③④⑤⑥当成型其他粒径颗粒时，在粒径长为19mm的虚拟颗粒基础上，将19mm的轮廓坐标数据统一乘以某一种控制随机数，以完成其他粒径颗粒的批量成型。对19mm颗粒的边缘轮廓坐标进行筛选时，首先选取起始坐标与筛选阈值，起始坐标选择随机，筛选阈值建议值为0.0002。以起始坐标为起点，按照颗粒轮廓坐标顺时针判断，以筛选阈值为步长，坐标之间的距离在阈值以内的需要筛除，直到找到第一个阈值以外的坐标作为新的起点，以新的起点为开始，继续上述判断筛选过程，直至所有坐标判断结束。(3)剪切试件虚拟建模：在PFC2D软件内建立墙模型来模拟试模，首先成型粗集料虚拟骨架，通过遍历生成小球生成细集料，当粗细集料生成完毕后，对成型的虚拟试件运行一定步数至稳定状态，如图2所示，通过动态接触判别方法，筛除错误逃逸颗粒，其中动态接触判断的步骤如下：①运行足够数量的计算步，使得颗粒保持稳定状态，试件体系的不平衡力应该小于一定的控制值，该值建议为；②固定粗集料圆盘x，y方向速度为0，赋予细集料圆盘一个较小的沿y轴向上的初速度，并运行极小的计算步，向上的初速度推荐为0.1m/s,计算步推荐为100；③在运行的100计算步内，实时监控每一个细集料圆盘周围接触。若该细集料圆盘周围接触链的头指针为null，则该判断颗粒为逃逸颗粒；④循环③④步骤4-5次，直至判断出所有的逃逸颗粒；⑤删除所有逃逸颗粒。(4)虚拟剪切模型加载：在PFC2D内建立上下左右四个墙模型，首先进行预加载，赋予四个墙伺服运行机制并保持围压为50Kpa，当模型运行稳定后，保持左右两侧墙伺服机制、围压不变，上下两端墙赋予恒速运行机制，保持恒应变速率1％进行正式加载。其中伺服机制采用墙与颗粒的平均接触刚度进行判断，通过墙与颗粒的平均接触刚度与墙与颗粒的重叠量计算墙体受力，若墙体受力过大，则墙体向外运动，若墙体受力过小，则墙体向内运动，通过这种动态调整过程，保持赋予伺服机制的墙上能够保持恒定的受力以完成应力控制的模拟。(5)试验结果统计与整理：如图3所示，分别进行50、100、150kPA围压下的抗剪模拟试验，分别记录并整理不同围压下的应力应变曲线，以应力应变曲线峰值作为极限破坏点，同时记录该极限破坏点的应力应变值，通过绘制摩尔应力圆，建立并回归所选级配碎石的抗剪性能公式，如下，式中：τf为剪切破裂面上的剪应力，即材料抗剪强度，τf越大级配碎石的抗剪性能越好；；c为材料粘聚力；σ为材料破裂面上所受到的法向应力；为材料内摩擦角。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种建立级配碎石抗剪性能数值预估模型的方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)选取样本颗粒；(2)粗集料颗粒虚拟建模：获取样品颗粒的轮廓坐标，建立虚拟颗粒母体样本，完成大批量颗粒成型的目标；(3)剪切试件虚拟建模：建立墙模型来模拟试模，筛除错误逃逸颗粒；(4)虚拟剪切模型加载：对墙模型分别在不同阶段赋予伺服运行机制、恒速运行机制，来模拟抗剪试验中应力、应变控制两种方式。(5)试验结果统计与整理：记录抗剪试验过程中应力应变曲线以及极限破坏状态下的应力应变数据。

【技术特征摘要】
1.一种建立级配碎石抗剪性能数值预估模型的方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)选取样本颗粒；(2)粗集料颗粒虚拟建模：获取样品颗粒的轮廓坐标，建立虚拟颗粒母体样本，完成大批量颗粒成型的目标；(3)剪切试件虚拟建模：建立墙模型来模拟试模，筛除错误逃逸颗粒；(4)虚拟剪切模型加载：对墙模型分别在不同阶段赋予伺服运行机制、恒速运行机制，来模拟抗剪试验中应力、应变控制两种方式。(5)试验结果统计与整理：记录抗剪试验过程中应力应变曲线以及极限破坏状态下的应力应变数据。2.根据权利要求1所述的建立级配碎石抗剪性能数值预估模型的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，筛选出的级配碎石颗粒粒径在所需范围内，颗粒长度小于其粒径的2.4倍，厚度大于其粒径的0.4倍。3.根据权利要求2所述的建立级配碎石抗剪性能数值预估模型的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，将样本颗粒的轮廓坐标统一缩放为所需范围内的某固定数值粒径的坐标数据，并进行边缘筛选，成型为该固定数值的虚拟颗粒，建立每档粒径的控制随机数；当成型其它粒径颗粒时，在该固定数值的虚拟颗粒基础上，将该固定数值的轮廓坐标数据统一乘以某一种控制随机数，以完成其它粒径颗粒的批量成型,各档粒径空置随机数按照下述公式计算，其中Urand是在0-1之间均匀分布的随机数：①②③④⑤⑥。4.根据权利要求3所述的建立级配碎石抗剪性能数值预估模型的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，需要对固定数值颗粒的边缘轮廓坐标进行筛选，首先选取起始坐标与筛选阈值，起始坐...

【专利技术属性】
技术研发人员：马涛，丁珣昊，黄晓明，张玉贞，郭兆民，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32