土石混合体中二维随机块石生成方法及系统技术方案

本发明专利技术提供土石混合体中二维随机块石生成方法及系统，方法包括：步骤1，根据待模拟的土石混合体的实际尺寸，确定矩形边界面；步骤2，局部少量取样，进行筛分试验，得到颗粒级配曲线，进而得到块石粒径的累积分布函数，采用拉丁超立方抽样生成一系列不同的半长轴；步骤3，由短/长轴之比服从的概率分布，生成与半长轴对应的一系列不同的半短轴；步骤4，在矩形边界面内随机生成椭圆的中心坐标，任意两个椭圆不重叠；步骤5，在椭圆内生成内接任意多边形作为块石；步骤6，基于土体、块石的比重计算矩形边界面内的当前块石含量；步骤7，将生成的块石旋转任意角度；步骤8，重复步骤4～7，直至矩形边界面内当前块石含量满足误差ε要求。边界面内当前块石含量满足误差ε要求。边界面内当前块石含量满足误差ε要求。

【技术实现步骤摘要】
土石混合体中二维随机块石生成方法及系统


[0001]本专利技术属于材料随机块石生成
，具体涉及土石混合体中二维随机块石生成方法及系统。

技术介绍

[0002]土石混合体(Soil
‑
Rock Mixture,S
‑
RM)指由土体和块石组成的非均质地质材料，其在世界范围内广泛分布。由于内部存在不同含量、尺寸、形状、取向的块石，土石混合体的宏观力学特性十分复杂。对土石混合体的力学行为、变形特性等展开研究，有助于我们更好地认识这种地质材料，减少或避免诸如滑坡、塌方等自然灾害的发生，延长地质工程的使用寿命，维护人类的生命、财产安全等等。
[0003]目前，研究土石混合体的宏观力学特性主要有试验和数值模拟两种，其中，试验可分为现场试验和室内试验。虽然现场试验能更准确、真实地反映土石混合体的力学特性，但其涉及的设备、人工、时间等成本相对较高，因而室内试验、数值模拟成为经济可行的两种方法。数值模拟计算结果可与室内试验结果作对比分析，有利于更好地总结出土石混合体的具体规律。
[0004]然而，土石混合体几何参数的输入成为掣肘数值模拟试验的关键点。直接采用影像扫描技术(如CT扫描)可以得到真实块石的几何形状，或者对块石拍照，而后采用高斯模糊等图像处理技术得到块石的几何形状。这些技术虽然能得到块石的几何参数，但是性价比不高：影像扫描技术一般较为昂贵，而且需要专业人员的指导，辐射等安全问题也需加以注意；对块石拍照、对照片进行图像处理过程复杂、效率较低。
[0005]为在限定区域(如矩形边界面、边坡边界面)内生成土石混合体模型，尚需建立一个块石数据库(该数据库存有大量块石的几何形状的数据参数)，而后从该库中随机选取块石投放到限定区域内，直至块石含量达到相应要求。建立块石数据库需要耗费大量的人力、物力，且在不规则区域内进行投放难以保证块石分布的均匀性。
[0006]为此，有必要提出一种性价比较高、简单易行的土石混合体中二维随机块石生成方法及系统。

技术实现思路

[0007]本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供土石混合体中二维随机块石生成方法及系统，对于具有不同几何、物理特性的土石混合体能够方便、高效地生成土石混合体模型。
[0008]为了实现以上目的，本专利技术采用了以下方案：
[0009]<方法>
[0010]本专利技术提供土石混合体中二维随机块石生成方法，处理过程中无需影像扫描，其特征在于，包括以下步骤：
[0011]步骤1，根据待模拟的土石混合体的实际尺寸，确定矩形边界面和块石阈值；
[0012]步骤2，从待模拟的土石混合体的局部少量取样，进行筛分试验，得到颗粒级配曲线，根据颗粒级配曲线，得到块石在不同粒径区间内的分布，进而得到块石粒径的累积分布函数，采用拉丁超立方抽样方法生成一系列不同的半长轴，使这一系列的半长轴的频率分布与概率分布相一致；
[0013]步骤3，由短/长轴之比服从的概率分布，生成与半长轴相对应的一系列不同的半短轴，使这一系列的半短轴的频率分布与概率分布相一致；
[0014]步骤4，基于步骤2和3，在矩形边界面内随机生成椭圆的中心坐标，且保证任意两个椭圆不重叠；
[0015]步骤5，在椭圆内生成内接任意多边形作为模拟的块石；
[0016]步骤6，基于土体、块石的比重计算矩形边界面内的当前块石含量；
[0017]将块石拆分为以椭圆中心为公共顶点的多个三角形，分别计算各三角形的面积并求和得到某n边形块石的面积，再将矩形边界面内的所有块石的面积求和：
[0018][0019]式中，S
rock
、S
ij
分别表示块石的总面积、第i个块石的第j个三角形的面积，m表示块石的总数量；由此，可以得到当前块石的含量为：
[0020][0021]式中，F
m
′
ass
、F
a
′
rea
分别表示矩形边界面内当前块石的质量比(物理参数)、面积比(几何参数)；S
矩形边界面
表示矩形边界面的面积；G
s_soil
、G
s_rock
分别表示样品实测的土体比重、块石比重；
[0022]步骤7，通过坐标旋转矩阵将生成的块石旋转任意角度；
[0023]步骤8，重复步骤4～7，直至矩形边界面内当前块石含量满足误差ε要求：
[0024][0025]优选地，本专利技术提供的土石混合体中二维随机块石生成方法，还可以具有这样的特征：在步骤1中，若待模拟的土石混合体为边坡，则在步骤8之后，进一步执行：步骤9，绘制边坡边界线，剔除边坡边界线以外的块石，保留边坡边界线以内的块石。
[0026]优选地，本专利技术提供的土石混合体中二维随机块石生成方法，还可以具有这样的特征：边坡坡面形状可为任意复杂形状。
[0027]优选地，本专利技术提供的土石混合体中二维随机块石生成方法，还可以包括：步骤10，存储所有块石的坐标信息，以便在数值模拟软件中构建土石混合体的模型。
[0028]优选地，本专利技术提供的土石混合体中二维随机块石生成方法，还可以具有这样的
特征：在步骤8中，ε＝5e
‑
4。
[0029]优选地，本专利技术提供的土石混合体中二维随机块石生成方法，还可以具有这样的特征：在步骤1中，矩形边界面的长、宽并不限于室内三轴实验的试样的尺寸，而应根据模拟对象的实际尺寸进行确定，譬如，可设定为直剪试验的试样的尺寸。块石阈值包括最小粒径(土/石阈值)和最大粒径。
[0030]<系统>
[0031]进一步，本专利技术还提供了土石混合体中二维随机块石生成系统，其特征在于，包括：
[0032]参数确定部，根据待模拟的土石混合体的实际尺寸，确定矩形边界面和块石阈值；
[0033]级配曲线获取部，从待模拟的土石混合体的局部少量取样，进行筛分试验，得到颗粒级配曲线；
[0034]半长轴生成部，根据颗粒级配曲线，得到块石在不同粒径区间内的分布，进而得到块石粒径的累积分布函数，采用拉丁超立方抽样方法生成一系列不同的半长轴，使这一系列的半长轴的频率分布与概率分布相一致；
[0035]半短轴生成部，由短/长轴之比服从的概率分布，生成与半长轴相对应的一系列不同的半短轴，使这一系列的半短轴的频率分布与概率分布相一致；
[0036]中心生成部，基于生成的系列半长轴和半段轴，在矩形边界面内随机生成椭圆的中心坐标，且保证任意两个椭圆不重叠；
[0037]块石生成部，在椭圆内生成内接任意多边形作为模拟的块石；
[0038]含量确定部，基于土体、块石的比重计算当前块石含量；将块石拆分为以椭圆中心为公共顶点的多个三角形，分别计算各三角形的面积并求和得到某n边形块石的面积，再将矩形边界面内的所有块石的面积求和：
[0039本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.土石混合体中二维随机块石生成方法，处理过程中无需影像扫描，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据待模拟的土石混合体的实际尺寸，确定矩形边界面和块石阈值；步骤2，从待模拟的土石混合体的局部少量取样，进行筛分试验，得到颗粒级配曲线，根据颗粒级配曲线，得到块石在不同粒径区间内的分布，进而得到块石粒径的累积分布函数，采用拉丁超立方抽样方法生成一系列不同的半长轴，使这一系列的半长轴的频率分布与概率分布相一致；步骤3，由短/长轴之比服从的概率分布，生成与半长轴相对应的一系列不同的半短轴，使这一系列的半短轴的频率分布与概率分布相一致；步骤4，基于步骤2和3，在矩形边界面内随机生成椭圆的中心坐标，且保证任意两个椭圆不重叠；步骤5，在椭圆内生成内接任意多边形作为模拟的块石；步骤6，基于土体、块石的比重计算矩形边界面内的当前块石含量；将块石拆分为以椭圆中心为公共顶点的多个三角形，分别计算各三角形的面积并求和得到某n边形块石的面积，再将矩形边界面内的所有块石的面积求和：式中，S
rock
、S
ij
分别表示块石的总面积、第i个块石的第j个三角形的面积，m表示块石的总数量；由此，可以得到当前块石的含量为：式中，F
m
′
ass
、F
a
′
rea
分别表示矩形边界面内当前块石的质量比、面积比；S
矩形边界面
表示矩形边界面的面积；G
s_soil
、G
s_rock
分别表示样品实测的土体比重、块石比重；步骤7，通过坐标旋转矩阵将生成的块石旋转任意角度；步骤8，重复步骤4～7，直至矩形边界面内当前块石含量满足误差ε要求：2.根据权利要求1所述的土石混合体中二维随机块石生成方法，其特征在于：其中，在步骤1中，若待模拟的土石混合体为边坡，则在步骤8之后，进一步执行：步骤9，绘制边坡边界线，剔除边坡边界线以外的块石，保留边坡边界线以内的块石。3.根据权利要求2所述的土石混合体中二维随机块石生成方法，其特征在于：其中，所述边坡坡面形状可为任意复杂形状。4.根据权利要求1所述的土石混合体中二维随机块石生成方法，其特征在于：
其中，在步骤8中，ε＝5e
‑
4。5.土石混合体中二维随机块石生成系统，其特征在于，包括：参数确定部，根据待模拟的土石混合体的实际尺寸，确定矩形边界面和块石阈值；级配曲线获取部，从待模拟的土石混合体的局部少量取样，进行筛分试验，得到颗粒级配曲线；半长轴生成部，根据颗粒级配曲线，得到块石在不同粒径区间内的分布，进而得到块石粒径的累积分布函数，采用拉丁超立方抽样方法生成一系列不同的半长轴，使这一系列的半...

【专利技术属性】
技术研发人员：李典庆，许宵，王顺，杜文琪，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：