一种颗粒材料侧向压力分布特征定量描述方法技术

本发明专利技术涉及一种水工设计时的参数确定方法，具体涉及一种定量描述颗粒材料侧向压力分布特征的参数的确定方法，属于水利工程领域的一般方法，其IPC分类号为E02B 1/00。本发明专利技术的方法明确针对描述颗粒材料侧向压力特征的测量尺寸取值范围，精确确定侧向压力作用位置密集度和分布强度波动性两个参数的数值，对侧向压力分布特征进行定量描述，能够真实反映出颗粒材料侧向压力分布的离散特征，可以指导工程设计人员在挡墙、基坑、深埋隧道等工程设计时更精确地确定压力分布，保证工程安全。

【技术实现步骤摘要】
一种颗粒材料侧向压力分布特征定量描述方法
本专利技术涉及一种水工设计时的参数确定方法，具体涉及一种定量描述颗粒材料侧向压力分布特征的参数的确定方法，属于水利工程领域的一般方法，其IPC分类号为E02B1/00。
技术介绍
水库大坝工程中常见的颗粒材料有筑坝材料堆石体、土体、泥沙等。这些颗粒材料因自重或外荷载作用下会产生侧向压力，在高堆石坝、挡土墙、深埋隧道等工程建设时必须加以考虑。特别是有关土石侧向压力问题的研究已有200多年历史，目前工程上常用的侧向压力计算理论是朗肯和库伦土压力理论。两大经典理论均假定侧向压力沿土石体等颗粒材料的堆积深度呈线性分布。侧向压力为线性分布的假定在国内外挡土墙设计规范、基坑结构稳定分析及深埋隧道等工程领域广泛使用。然而，土石等工程材料是非常复杂的颗粒材料，传统的宏观连续介质理论往往忽略了对其离散特性的考虑。近年来，离散单元法(DiscreteElementMethod，DEM)的发展和计算机性能的飞速提高，使得通过细观数值方法研究土石等颗粒材料的力学行为特性成为可能。目前，已有的离散元数值模拟[1-3]研究表明，土石等颗粒材料堆积后将导致拱结构效应的存在，这使得颗粒材料的侧向压力呈现非线性分布(折线型分布)，部分侧向压力值相比于线性分布的设计值骤增，这将十分不利于工程安全。当颗粒材料作用于挡墙某些部位的侧向压力过多以及压力强度变化剧烈时，在应力集中作用下挡墙较易失稳坍塌。因此，研究侧向压力作用位置密集度和分布强度波动性性对工程设计安全具有十分重要的意义。但是，目前还没有对颗粒材料侧向压力分布位置密集度和分布强度波动性定量描述方法的相关文献及报道。以下给出检索出的相关文献：[1]孟云伟等.石笼挡土墙的颗粒离散元细观力学模拟研究[J].岩土力学，2010，31(8)：2677-2681.[2]刘冬等.基于DEM分析的有限宽度填土主动土压力计算[J].公路工程，2019，44(02)：36-40.[3]万励等.无黏性有限土体主动破坏及土压力离散元分析[J].土木与环境工程学报(中英文)，2019，41(03)：22-29.[4]瞿波.分形几何与流体[M].上海：上海社会科学院出版社，2014：3-14.
技术实现思路
本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的是提供一种颗粒材料侧向压力分布特征定量描述方法。本专利技术方法简单有效，参数的物理意义明确，能够客观准确地量化颗粒材料侧向压力分布位置密集度和分布强度的波动性。本专利技术的一种颗粒材料侧向压力分布特征定量描述方法，包括以下步骤：步骤1，选取颗粒材料侧向压力分布位置密集度测量尺度：测量确定颗粒材料堆积稳定后的高度H0(单位为m)，选取一系列测量尺度参数ri(i＝1，2，…n)，其中r1满足的条件。步骤2，获取不同测量尺度下侧向压力分布位置密集度的测量数目：测量尺度ro将挡墙平均划分成数目为间距长度为ri的子组，统计子组中含有侧向压力作用点的子组数目ni。步骤3，求取描述侧向压力分布位置密集度参数d：将步骤2得到的一系列ri和相应的ni绘制于双对数坐标系中，拟合logri与logni之间的线性关系，得到其可决系数R2，当R2大于0.8时，此时拟合直线斜率的绝对值即侧向压力分布位置密集度参数d。颗粒材料侧向压力分布位置密集度参数d为0～1之间数值，0表示作用位置分布几乎集中在某一点处，1则表示作用位置分布为线性连续分布。d越大，表明颗粒材料侧向压力分布位置越分散。步骤4，选取颗粒材料侧向压力分布强度波动性测量尺度：绘制颗粒材料侧向压力分布图，定义侧向压力折线的上、下两个端点分别为Pup和Pdown，选取一系列尺度参数Ri(i＝1，2，…n)，其中Ri满足的条件。步骤5，获取不同测量尺度下侧向压力分布强度波动性的测量数目：以颗粒材料侧向压力分布折线上端点Pup为圆心，以Ri为半径画圆，所述的圆与侧向压力分布折线相交于点P1；然后，再以点P1为圆心，以Ri为半径画圆，与侧向压力分布折线相交于点P2；以此类推，当交点Pn与Pdown在侧向压力分布折线上的距离l小于或等于Ri时，测量结束，最终得到以Ri为尺度量取侧向压力分布折线的数目Ni＝n+l/Ri。步骤6，求取描述侧向压力分布强度波动性参数。将步骤5得到一系列Ri和相应的Ni绘制于双对数坐标系中，拟合logRi与logNi之间的线性函数关系，得到其可决系数R2；当拟合函数的可决系数R2大于0.8时，此时拟合直线斜率的绝对值即侧向压力分布强度波动性参数D。颗粒材料侧向压力分布强度波动性参数D值在1～2之间，1表示侧向压力强度分布为直线分布，2则表示侧向压力强度分布为平面分布。D越大表明侧向压力分布强度波动性越大，拱结构效应越明显，侧向压力骤增点越多。与现有的技术相比，本专利技术的优势效果在于：传统土压力理论基于连续介质假定，这有悖于土石等颗粒材料离散特性的本质，对颗粒材料侧向压力分布特性的描述不准确。本专利技术改进分形理论思想，选取颗粒材料侧向压力分布特征的测量尺度取值范围，精确确定侧向压力作用位置密集度和分布强度波动性两个参数的数值，对侧向压力分布特征进行定量描述，能够真实反映出颗粒材料侧向压力分布的离散特征，可以指导工程设计人员在挡墙、基坑、深埋隧道等工程设计时更精确地确定压力分布，保证工程安全。附图说明图1是颗粒材料侧向压力分布位置密集度定量描述方法示意图；图2是颗粒材料侧向压力分布强度波动性定量描述方法示意图；图3是采用DEM数值模拟堆积稳定后的颗粒材料；图4是颗粒粒径s为0.01m、颗粒摩擦系数μ为0.30条件下侧向压力分布图(a)以及分布强度波动性分析图(b)～图(e)；图5是不同颗粒粒径和颗粒摩擦系数条件下侧向压力分布位置密集度定量描述中ri与ni拟合函数关系；图6是不同颗粒粒径和颗粒摩擦系数条件下侧向压力分布强度波动性定量描述中Ri与Ni拟合函数关系；图7—图11是不同颗粒粒径和颗粒摩擦系数条件下侧向压力分布图。具体实施方式下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案作进一步的具体说明。本实施例首先采用DEM数值模拟颗粒材料自然沉积过程，模拟参数参照DEM模拟石块、土体等颗粒材料相关文献选取[1，2]，以确保模拟结果的正确性，模拟参数如表1所示。DEM数值模拟堆积稳定后的颗粒材料如图3所示，然后提取颗粒材料作用于左侧墙体的侧向压力，如图4(a)所示(颗粒粒径s为0.01m、颗粒摩擦μ系数为0.30)。采用本专利技术提供的一种颗粒材料侧向压力分布特征定量描述方法对图4(b)～(e)侧向压力进行定量描述。当作用于挡墙某些部位的侧向压力密集(应力集中)，侧向压力强度骤增骤减时，挡墙在突变的力学边界条件下较易失稳。因此，本专利技术选取侧向压力作用位置密集度和分布强度波动性两个参数对侧向压力分布特征进行定量描述。本专利技术具体包括以下步骤：步骤1，定义颗粒材料侧向压力分布位置密集度测量尺度。测量确定颗本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种颗粒材料侧向压力分布特征定量描述方法，其特征在于包括以下步骤：/n步骤1，选取颗粒材料侧向压力分布位置密集度测量尺度：测量确定颗粒材料堆积稳定后的高度H

【技术特征摘要】
1.一种颗粒材料侧向压力分布特征定量描述方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，选取颗粒材料侧向压力分布位置密集度测量尺度：测量确定颗粒材料堆积稳定后的高度H0(也可以称为挡墙高度，单位为m)，选取一系列测量尺度参数ri(i＝1，2，…n)，其中ri满足的条件。
步骤2，获取不同测量尺度下侧向压力分布位置密集度的测量数目：测量尺度ri将挡墙平均划分成数目为间距长度为ri的子组，统计子组中含有侧向压力作用点的子组数目ni。
步骤3，求取描述侧向压力分布位置密集度参数d：将步骤2得到的一系列ri和相应的ni绘制于双对数坐标系中，拟合logri与logni之间的线性关系，得到其可决系数R2，当R2大于0.8时，此时拟合直线斜率的绝对值即侧向压力分布位置密集度参数d。
颗粒材料侧向压力分布位置密集度参数d为0～1之间数值，0表示作用位置分布几乎集中在某一点处，1则表示作用位置分布为线性连续分布。d越大，表明颗粒材料侧向压力分布位置越分散。
步骤4，选取颗粒材料侧向压力分布强度波动性测量尺度：绘制颗粒材料侧向压力分布图，定义侧向压力折线的上...

【专利技术属性】
技术研发人员：来志强，江恩慧，王仲梅，赵连军，徐梓曜，徐阳，梅锐锋，任棐，武彩萍，吴国英，高梓轩，樊科伟，王嘉仪，潘丽，张文皎，王远见，李军华，张向萍，许琳娟，张敏，来嘉豪，来亮，张清清，
申请(专利权)人：黄河水利委员会黄河水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：河南;41