[发明专利]一种颗粒材料侧向压力分布特征定量描述方法

说明书

本发明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。本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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(Discrete Element Method，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.

发明内容

本发明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。本发明方法简单有效，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。

本发明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r_i(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r_o将挡墙平均划分成数目为间距长度为r_i的子组，统计子组中含有侧向压力作用点的子组数目n_i。