一种混合粗集料密实度的模拟测试方法

摘要

本发明公开了一种混合粗集料密实度的模拟测试方法，通过建立混合粗集料物理模型，进行混合粗集料密实度的模拟测试，包括基本参数的测试，料筒和混合粗集料的模拟生成，赋予物理模型微力学参数，混合料粗集料物理模型振动密实过程的模拟，混合粗集料物理模型密实度的计算。该方法可快速、准确地预测混合粗集料密实度，并可再现混合粗集料密实过程中细观结构特性的变化规律。

主权项

一种混合粗集料密实度的模拟测试方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)混合粗集料物理模型的构建①基本参数的测试：①A、测定各规格粗集料的表观密度；①B、测定各规格粗集料的表面不均匀系数：在第i种规格粗集料中，随机挑选不少于5个粗集料样本，利用游标卡尺测取每个样本的粒径，每个样本的测量结果不少于5个，从中选取最大测量值和最小测量值，按式(I)计算第i种规格粗集料的表面不均匀系数；$a_i=\frac{\underset{1}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{d_s}{D_s}}{n}---\left(I\right)$式中：a_i：第i种规格粗集料的表面不均匀系数，无量纲，i为大于0的自然数；n：从第i种规格粗集料中挑选的粗集料样本的数目，无量纲，n为不小于5的自然数；D_s：第i种规格粗集料的第s个样本粒径的最大测量值，mm，s为1到n之间的自然数；d_s：第i种规格粗集料的第s个样本粒径的最小测量值，mm，s为1到n之间的自然数；按上述方法依次测定各规格粗集料的表面不均匀系数；②料筒的模拟：利用PFC^2D内置命令“wall”生成两片长度为H的竖直墙体和一片长度为W的水平墙体组成开口向上的半封闭矩形以模拟料筒；③混合粗集料的生成：③A、根据第i种规格粗集料质量、表观密度和料筒尺寸计算第i种规格粗集料的二维映射面积S_i，见式(II)，利用PFC^2D内置命令“ball”在模拟料筒中生成圆颗粒，并使之符合第i种规格粗集料的粒径要求，当生成颗粒的总面积达到S_i时，停止颗粒生成，这些圆颗粒即为第i种规格粗集料的母体颗粒，利用PFC^2D内置命令“array”存储每个母体颗粒圆心坐标、半径、编号的基本信息；$S_i=\frac{4m_i}{{\mathrm{\pi \rho }}_{i}W}---\left(II\right)$式中：S_i：第i种规格粗集料的二维映射面积，cm²，i为大于0的自然数；m_i：第i种规格粗集料的质量，g，i为大于0的自然数；W：水平墙体长度，cm；ρ_i：第i种规格粗集料的表观密度，g/cm³，i为大于0的自然数；③B、利用PFC^2D内置命令“b_id”自动地搜索第i种规格粗集料中编号为t的母体颗粒，并根据编号自动地读取该母体颗粒的圆心坐标、半径的基本信息，进而根据第i种规格粗集料的表面不均匀系数，利用PFC^2D内置命令“ball”生成四个全等的圆形子颗粒，其半径按式(III)计算，圆心坐标分别按式(IV)～式(VII)计算；利用PFC^2D内置命令“clump”将上述四个子颗粒组合为一个整体，构成不规则颗粒，并利用PFC^2D内置命令“delete”删除上述编号为t的母体颗粒，从而将第i种规格粗集料中编号为t的母体颗粒转换为相应的不规则颗粒，当第i种规格粗集料的所有母体颗粒转换为相应的不规则颗粒后，搜索停止，从而完成第i种规格粗集料的生成，上述过程由PFC^2D自动执行，无需人为控制；$r_{it}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\pi R}}_{it}^2}{3\pi -4arctan(\sqrt{1-a_i^2}/a_i)+4a_i\sqrt{1-a_i^2}+4a_i^2}}---\left(III\right)$x_1,it＝X_it‑a_ir_it                                                   (IV)x_2,it＝X_it+a_ir_it                                                   (V)y_1,it＝Y_it‑a_ir_it                                                   (VI)y_2,it＝Y_it+a_ir_it                                                   (VII)式中：R_it：第i种规格粗集料中编号为t的母体颗粒的半径，cm，i、t为大于0的自然数；r_it：根据第i种规格粗集料中编号为t的母体颗粒的基本信息生成的四个子颗粒的半径，cm，i、t为大于0的自然数；X_it：第i种规格粗集料中编号为t的母体颗粒的圆心的x轴坐标值，cm，i、t为大于0的自然数；Y_it：第i种规格粗集料中编号为t的母体颗粒的圆心的y轴坐标值，cm，i、t为大于0的自然数；x_1,it：根据第i种规格粗集料中编号为t的母体颗粒的基本信息生成的四个子颗粒中第一个子颗粒和第四个子颗粒的圆心的x轴坐标值，cm，i、t为大于0的自然数；x_2,it：根据第i种规格粗集料中编号为t的母体颗粒的基本信息生成的四个子颗粒中第二个子颗粒和第三个子颗粒的圆心的x轴坐标值，cm，i、t为大于0的自然数；y_1,it：根据第i种规格粗集料中编号为t的母体颗粒的基本信息生成的四个子颗粒中第一个子颗粒和第二个子颗粒的圆心的y轴坐标值，cm，i、t为大于0的自然数；y_2,it：根据第i种规格粗集料中编号为t的母体颗粒的基本信息生成的四个子颗粒中第三个子颗粒和第四个子颗粒的圆心的y轴坐标值，cm，i、t为大于0的自然数；其它符号同式(I)；③C、重复步骤③A和步骤③B，依次在模拟料筒中生成各规格粗集料，从而组成混合粗集料物理模型；(2)微力学参数的输入利用PFC^2D内置命令“prop”赋予混合粗集料物理模型以微力学参数，包括泊松比ν、剪切模量G和摩擦系数μ；微力学参数可通过粗集料岩性查阅相关岩土工程手册获取；(3)混合料粗集料物理模型振动密实过程的模拟①混合料粗集料物理模型振动密实过程的模拟：利用PFC^2D内置命令“wall”生成长度为W的墙体以模拟加载板，并以其对模拟料筒中的混合粗集料进行快速扰动，以实现对混合粗集料物理模型的振动密实；加载板的速度由PFC^2D自动地按正弦函数控制，见式(VIII)，无需人为设定；υ＝0.06sin314T                     (VIII)式中：υ：加载板在加载时间为T时的速度，m/s；T：加载时间，s；②最佳密实状态的判定在混合粗集料物理模型振动密实的过程中，实时监测混合粗集料物理模型的配位数，建立配位数～振动时间关系曲线，当配位数稳定后，即可判定混合粗集料物理模型达到最佳密实状态；所述的配位数是指颗粒与颗粒间接触点的平均数；配位数越大，接触点越多，密实程度越高，配位数和振动时间由PFC^2D自动记录；(4)混合粗集料物理模型密实度的计算：以混合粗集料物理模型达到最佳密实状态时的振实密度表征混合粗集料密实度，通过PFC^2D自动获取此时两片水平墙体的竖直距离b，则振实密度ρ’可按式(IX)计算；${\rho }^{\prime }=\frac{{\mathrm{\Sigma \rho }}_i{S}_i}{Wb}---\left(IX\right)$式中：ρ’：振实密度，g/cm³；b：混合粗集料物理模型达到最佳密实状态时两片水平墙体的竖直距离，cm；其它符号同式(II)。