一种砂卵石地层隧道施工随机结构模型生成方法与流程

本发明涉及地下工程的，尤其是一种砂卵石地层隧道施工随机结构模型生成方法。

背景技术：

1、随机结构模型中的最小块石粒径(即块石与土体基质的临界尺寸)对砂卵石地层数值建模至关重要。更小的临界粒径能更全面地揭示砂卵石地层内部随机结构对整体力学性质的影响，但数值模拟的计算效率较低；而更大的临界粒径虽有助于提高数值模拟的计算效率，但低估了内部随机结构对砂卵石地层整体力学性质的影响。

2、因此，为了尽可能考虑砂卵石地层内部随机结构对整体力学性质的影响，同时尽可能地提高数值模拟的计算效率，避免一些无意义的时间消耗，故需要一种可以解决上述问题的砂卵石地层隧道施工随机结构模型生成方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种砂卵石地层隧道施工随机结构模型生成方法，统计实际工程中砂卵石土的主要粒径区间，研究其粒径分布特征，确定随机结构模型的最小和最大块石粒径，根据级配特征得到各个粒组区间的体积含石量和块石数目；基于仿射变换，将平面(空间)内任意两个椭圆(椭球)形块石变换为一个标准圆(球)形块石和一个椭圆(椭球)形块石，利用仿射协变性和圆的对称性，通过几何条件或代数条件对块石的空间位置进行接触重叠检测；借助python代码，将满足要求的块石位置信息批量导入到cad建模软件中，通过网格划分，得到砂卵石地层的随机结构模型，在保证数值模拟的准确性的同时，还可以有效地提高数值模拟的计算效率。

2、本发明目的实现由以下技术方案完成：

3、一种砂卵石地层隧道施工随机结构模型生成方法，其特征在于所述生成方法包括：

4、(s1)根据研究尺度选取砂卵石地层隧道施工随机结构模型的最大块石粒径和最小块石粒径，将块石粒径分布分成若干个区间，并确定各块石粒径区间的体积含石量和块石数目；

5、(s2)利用python代码，基于蒙特卡罗模拟随机生成块石位置信息，当块石位置信息同时满足“块石在模型内部”和“任意两个块石无重叠”这两个条件时，将该块石位置信息存储在json文件中，否则，继续随机生成下一组块石位置信息；对每个块石粒径区间的所有块石都进行以上筛选过程，直至筛选出全部块石粒径区间的所有块石为止；

6、(s3)批量提取和导入块石位置信息，生成单个非流形闭合曲面并划分网格，得到砂卵石地层隧道施工随机结构模型。

7、在步骤s1中：

8、取每个块石粒径区间上下限的平均值作为该块石粒径区间的等效块石粒径，并根据体积含石量计算每个等效块石粒径对应的块石数目。

9、在步骤s2中，对任意两个块石重叠状况的判断方法包括：

10、设两个块石的形状均为椭圆形/椭球形，基于仿射变换，将两个椭圆形/椭球形块石的重叠状况转换为标准椭圆/标准椭球与圆/球的重叠状况；

11、若标准椭圆/标准椭球上的点到圆心/球心的最小距离大于圆/球的半径且圆心/球心不在椭圆/椭球内，则两个椭圆形/椭球形块石必然没有重叠，即判断两个椭圆形/椭球形块石是否有重叠的几何条件；假设经仿射变换后两个椭圆/椭球的方程变为xtax＝0和xtbx＝0，其中，a和b为两个方程的系数矩阵，x在二维条件下为x＝(x,y,1)t，在三维条件下为x＝(x,y,z,1)t，f(λ)＝det(λa+b)作为二者的广义特征多项式，若广义特征方程f(λ)＝0有两个不同的正根，则两个椭圆形/椭球形块石必然无重叠。

12、在步骤s3中：

13、利用cad建模软件中的python代码，从步骤s2获得的json文件中批量提取并导入块石的位置信息，生成块石并可视化；根据块石粒径大小，选择合适的单元尺寸来划分表面网格；通过布尔运算、曲面的创建和合并方法得到单个非流形闭合曲面并粗略划分表面网格；指定最小和最大的单元尺寸，使用网格划分插件重新划分表面网格；生成并输出为有限元或有限差分软件识别的体网格。

14、本发明的优点是：统计实际工程中砂卵石土的主要粒径区间，研究其粒径分布特征，确定随机结构模型的最小和最大块石粒径，根据级配特征得到各个粒组区间的体积含石量和块石数目；基于仿射变换，将平面(空间)内任意两个椭圆(椭球)形块石变换为一个标准圆(球)形块石和一个椭圆(椭球)形块石，利用仿射协变性和圆的对称性，通过几何条件或代数条件对块石的空间位置进行接触重叠检测；借助python代码，将满足要求的块石位置信息批量导入到cad建模软件中，通过网格划分，得到砂卵石地层的随机结构模型，在保证数值模拟的准确性的同时，还可以有效地提高数值模拟的计算效率。

技术特征：

1.一种砂卵石地层隧道施工随机结构模型生成方法，其特征在于所述生成方法包括：

2.如权利要求1所述的一种砂卵石地层隧道施工随机结构模型生成方法，其特征在于在步骤s1中：

3.如权利要求1所述的一种砂卵石地层隧道施工随机结构模型生成方法，其特征在于在步骤s2中，对任意两个块石重叠状况的判断方法包括：

4.如权利要求1所述的一种砂卵石地层隧道施工随机结构模型生成方法，其特征在于在步骤s3中：

技术总结
本发明公开了一种砂卵石地层隧道施工随机结构模型生成方法，包括：根据研究尺度选取砂卵石地层隧道施工随机结构模型的最大块石粒径和最小块石粒径，将块石粒径分布分成若干个区间，并确定各块石粒径区间的体积含石量和块石数目；利用Python代码，基于蒙特卡罗模拟随机生成块石位置信息，当块石位置信息同时满足“块石在模型内部”和“任意两个块石无重叠”这两个条件时，将该块石位置信息存储在json文件中，否则，继续随机生成下一组块石位置信息；批量提取和导入块石位置信息，生成单个非流形闭合曲面并划分网格，得到砂卵石地层隧道施工随机结构模型。本发明的优点是：在保证数值模拟的准确性的同时，还可以有效地提高数值模拟的计算效率。

技术研发人员：黄昌富,李少华,杜修力,王帆,李鹏飞,崔小普,苏栋,李文兵,姚铁军,赵中华,李安杰,沈翔,孔凡超,谢剑楠,栾焕强,童彦劼,谭毅俊
受保护的技术使用者：中铁十五局集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24