本发明属于岩土工程地质勘察，涉及一种黄土颗粒间作用参数库的构建方法和黄土湿陷性预测方法。
背景技术：
1、黄土的颜色包括灰黄、棕黄和棕红色，具有以粉粒居多、多孔隙、胶结能力差和垂直节理发育的特征，属于第四纪沉积物。黄土分布广泛，约占全球陆地面积的十分之一。受特定的生成、沉积环境及物源组成的影响，天然沉积的原状黄土具有多孔隙、弱胶结、欠压密的特殊组构特征，且多处于非饱和状态。湿陷性黄土是一种特殊性质的土，其土质较均匀、结构疏松且孔隙发育。在未受水浸湿时，一般强度较高，压缩性较小。当在一定压力下受水浸湿，土结构会迅速破坏，产生较大附加下沉，强度迅速降低。在黄土地区开展工程时，获得准确的黄土湿陷性系数是保障工程建设和运营期安全的前提。但是黄土具有显著的空间变异性，同一地区不同水平位置和埋深的黄土的湿陷性系数都可能存在显著差异，这一特点给勘测黄土湿陷性带来了极大的困难。
2、研究表明，黄土的宏观湿陷行为与其微观结构紧密相关。黄土的微结构层次和要素，包括颗粒、孔隙、接触关系及胶结物质，互为制约，互相影响，从本质上决定着黄土的宏观力学性质，且他们之间有着一定的对应关系，因此深入认识黄土材料的微结构特征，对揭示黄土体宏观性能内在机理起到至关重要的作用。随着微结构研究的深入和先进测试技术的发展，计算机断层扫描技术基本原理是x射线穿透被检测的物体时，x射线的强度随被检测物体对x射线的吸收按一定规律衰减，利用亮度成像即可得到完整的ct图像。该技术的引入为微结构的动态、无损和三维观测提供了可能。很多学者利用avizo、imagej等三维可视化分析系统将二维ct图像重建为三维模型，定量分析颗粒和孔隙的微结构参数，如体积、表面积、长轴方向、形状系数和连通性等参数在黄土湿陷过程中的变化，从而建立黄土微观结构与其宏观力学性能之间的关联规律，avizo是一款高级的三维可视化及分析软件，由vsg公司推出，专门针对地球地质科学、材料科学以及计算机辅助工程计算等领域。imagej是一个基于java的开源图像处理软件。
3、颗粒离散元数值模拟技术可以实现对土颗粒真实形状、粒径分布、堆积结构和固结变形过程的模拟，在黄土宏细观特性的研究中发挥着重要的作用。颗粒离散元数值模拟能够将土颗粒结构和颗粒间作用对土体宏观力学特性的影响解耦，可以标定出同一地区不同空间位置黄土样品共同的颗粒间作用参数，开展数值模拟试验确定不同微观结构特征黄土样品的压力-湿陷系数曲线。
4、随着颗粒流数值模拟技术的发展，基于离散元方法的数值模拟技术在黄土宏细观特性的研究中发挥着重要的作用。与物理实验相比，基于离散元方法的颗粒流数值模拟试验在研究黄土相关的颗粒尺寸、级配等细观研究方面有着较大的优势。虽然目前已有大量的学者采用离散元对黄土的三轴剪切和三维直剪等物理试验进行了数值模拟，但是大多数模拟是以球形颗粒进行，模拟获得的三维孔隙比无法直接和真实的原状黄土样品的三维孔隙比相互验证，导致预测精度不足，同时为了用球形来模拟真实形状颗粒的力学行为，导致需要设置的颗粒间作用参数的数量极大增加，参数设置越复杂，计算越繁琐，导致计算复杂性增加。
5、综上所述，现有黄土湿陷性预测方法存在计算复杂和预测精度不高的问题。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种黄土颗粒间作用参数库的构建方法和黄土湿陷性预测方法，以解决现有黄土湿陷性预测方法存在计算复杂和预测精度不高的技术问题，本发明能够实现黄土湿陷性的准确预测，简化了预测流程。
2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
3、第一方面，本发明公开了一种黄土颗粒间作用参数库的构建方法，包括以下步骤：
4、获取原状黄土的基本物性参数和孔隙比-压力曲线，获取原状黄土在不同压力下饱水湿陷的压力-湿陷系数曲线以及相应的二维切片照片；
5、根据二维切片照片重构不同压力和含水率下的原状黄土的三维结构模型；
6、根据原状黄土的基本物性参数和原状黄土的三维结构模型构建原状黄土的颗粒数值模型；
7、调整原状黄土的颗粒数值模型的颗粒间作用参数，得到不同压力和含水率条件下的颗粒数值模型的孔隙比-压力曲线和压力-湿陷系数曲线，使得颗粒数值模型与原状黄土的孔隙比-压力曲线相同，使得颗粒数值模型与原状黄土的压力-湿陷系数曲线相同；
8、基于不同深度地层，重复上述步骤，得到不同深度地层的原状黄土的颗粒间作用参数，构建黄土颗粒间作用参数库。
9、进一步的，所述基本物性参数包括天然密度、含水率、比重以及颗粒粒径级配曲线。
10、进一步的，所述根据原状黄土的基本物性参数和原状黄土的三维结构模型构建原状黄土的颗粒数值模型，具体如下：
11、对原状黄土的三维结构模型中的单颗粒和单孔隙进行分割，按照粒径将分割出的单颗粒和单孔隙进行分类统计得到不同粒径的单颗粒特征参数，获取单颗粒表面点云的局部坐标；
12、利用扩展超椭球方程拟合所有单颗粒表面点云的局部坐标得到单颗粒扩展超椭球方程参数；
13、根据单颗粒特征参数、单颗粒扩展超椭球方程参数和基本物性参数构建颗粒数值模型。
14、进一步的，所述根据单颗粒特征参数、单颗粒扩展超椭球方程参数和基本物性参数构建颗粒数值模型，具体如下：
15、根据单颗粒特征参数和单颗粒扩展超椭球方程参数构建初始颗粒数值模型；
16、调整初始颗粒数值模型的基本物性参数，直至初始颗粒数值模型的基本物性参数与原状黄土的基本物性参数一致，得到颗粒数值模型。
17、进一步的，所述颗粒数值模型的颗粒间作用参数包括：法向接触刚度、切向接触刚度、滑动摩擦系数、滚动摩擦系数、非接触引力常数、非接触引力临界系数、颗粒间黏结抗拉强度、颗粒间黏结内聚力和颗粒间黏结内摩擦角。
18、进一步的，所述调整原状黄土的颗粒数值模型的颗粒间作用参数，得到不同压力和含水率条件下的颗粒数值模型的孔隙比-压力曲线和压力-湿陷系数曲线，具体如下：
19、调整原状黄土的颗粒数值模型的颗粒间作用参数，对颗粒数值模型进行湿陷性测试模拟试验；
20、模拟试验过程中在颗粒数值模型的上下两端设置平面墙单元，通过平面墙单元施加指定的压力，在颗粒数值模型的四周设置固定不动的环形墙单元，湿陷性测试数值试验中，通过伺服控制函数调整颗粒数值模型上下两端平面墙的速度，使得作用在颗粒数值模型上下边界的荷载始终等于设定的轴向压力；
21、改变压力和含水率，获取不同压力和含水率条件下的颗粒数值模型的孔隙比-压力曲线和压力-湿陷系数曲线。
22、进一步的，所述调整原状黄土的颗粒数值模型的颗粒间作用参数，得到不同压力和含水率条件下的颗粒数值模型的孔隙比-压力曲线和压力-湿陷系数曲线的步骤中，分别统计颗粒数值模型和原状黄土的三维结构模型中各个单孔隙的孔径-体积分数分布曲线，调整不同粒径颗粒之间的颗粒间作用参数，使得同样压力和含水率条件下的颗粒数值模型与原状黄土的三维结构模型具有相同的孔径分布特征。
23、第二方面，本发明公开了一种黄土湿陷性预测方法，包括以下步骤：
24、获取待测原状黄土的基本物性参数和二维切片照片；
25、根据待测原状黄土的二维切片照片重构待测原状黄土的三维结构模型；
26、根据待测原状黄土的基本物性参数和三维结构模型构建待测原状黄土的颗粒数值模型；
27、根据黄土颗粒间作用参数库的构建方法得到的黄土颗粒间作用参数库，设置待测原状黄土的颗粒数值模型的颗粒间作用参数，开展黄土湿陷系数测试数值模拟试验，获得待测原状黄土的压力-湿陷系数曲线，对待测原状黄土的湿陷性系数进行预测。
28、第三方面，本发明公开了一种黄土颗粒间作用参数库的构建系统，包括：
29、参数获取模块：用于获取原状黄土的基本物性参数和孔隙比-压力曲线，获取原状黄土在不同压力下饱水湿陷的压力-湿陷系数曲线以及相应的二维切片照片；
30、三维结构模型构建模块：用于根据二维切片照片重构不同压力和含水率下的原状黄土的三维结构模型；
31、颗粒数值模型构建模块：用于根据原状黄土的基本物性参数和原状黄土的三维结构模型构建原状黄土的颗粒数值模型；
32、作用参数获取模块：用于调整原状黄土的颗粒数值模型的颗粒间作用参数，得到不同压力和含水率条件下的颗粒数值模型的孔隙比-压力曲线和压力-湿陷系数曲线，使得颗粒数值模型与原状黄土的孔隙比-压力曲线相同，使得颗粒数值模型与原状黄土的压力-湿陷系数曲线相同；
33、数据库构建模块：用于基于不同深度地层，根据上述模块得到不同深度地层的原状黄土的颗粒间作用参数，构建黄土颗粒间作用参数库。
34、第四方面，本发明公开了一种黄土湿陷性预测系统，包括：
35、待测黄土参数获取模块：用于获取待测原状黄土的基本物性参数和二维切片照片；
36、待测黄土模型构建模块：用于根据待测原状黄土的二维切片照片重构待测原状黄土的三维结构模型；
37、待测黄土颗粒数值模型构建模块：用于根据待测原状黄土的基本物性参数和三维结构模型构建待测原状黄土的颗粒数值模型；
38、湿陷性系数预测模块：用于根据黄土颗粒间作用参数库的构建方法得到的黄土颗粒间作用参数库，设置待测原状黄土的颗粒数值模型的颗粒间作用参数，开展黄土湿陷系数测试数值模拟试验，获得待测原状黄土的压力-湿陷系数曲线，对待测原状黄土的湿陷性系数进行预测。
39、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
40、1、本发明黄土颗粒间作用参数库的构建方法通过获取原状黄土的基本物性参数和孔隙比-压力曲线，获取原状黄土在不同压力下饱水湿陷的压力-湿陷系数曲线以及相应的二维切片照片，确保了对原状黄土物理性质的全面了解，为后续的三维结构重构和颗粒数值模型构建提供了准确的输入参数。根据二维切片照片重构不同压力和含水率下的原状黄土的三维结构模型，三维结构模型能够直观地展示黄土的内部结构，为颗粒数值模型的构建提供了更加真实的几何形态基础。根据原状黄土的基本物性参数和原状黄土的三维结构模型构建原状黄土的颗粒数值模型，颗粒数值模型能够模拟黄土在不同条件下的力学响应，为颗粒间作用参数的调整和优化提供了平台。通过调整原状黄土的颗粒数值模型的颗粒间作用参数，得到不同压力和含水率条件下的颗粒数值模型的孔隙比-压力曲线和压力-湿陷系数曲线，使得颗粒数值模型与原状黄土的孔隙比-压力曲线相同，使得颗粒数值模型与原状黄土的压力-湿陷系数曲线相同，从而验证了模型的准确性和可靠性，同时，也为后续构建黄土颗粒间作用参数库提供了关键数据。基于不同深度地层，重复上述步骤，得到不同深度地层的原状黄土的颗粒间作用参数，构建黄土颗粒间作用参数库。从微观尺度明确不同地质年代黄土层颗粒间作用参数的变异规律，黄土颗粒间作用参数库的构建为黄土力学性质的研究提供了丰富的数据支持。通过查询同一区域的颗粒间作用参数数据库，可以快速获取该区域不同条件下黄土的颗粒间作用参数，简化了同一区域其他待测黄土湿陷性的预测流程，减少了复杂的计算，同时也能够保证待测黄土湿陷性预测的准确性。
41、2、本发明黄土湿陷性预测方法，通过获取待测原状黄土的基本物性参数和二维切片照片；根据待测原状黄土的二维切片照片重构待测原状黄土的三维结构模型；根据待测原状黄土的基本物性参数和三维结构模型构建待测原状黄土的颗粒数值模型；根据黄土颗粒间作用参数库的构建方法得到的黄土颗粒间作用参数库，设置待测原状黄土的颗粒数值模型的颗粒间作用参数，开展黄土湿陷系数测试数值模拟试验，获得待测原状黄土的压力-湿陷系数曲线，对待测原状黄土的湿陷性系数进行预测。通过数值模拟试验结合颗粒间作用参数库，简化了预测流程，同时能够实现黄土湿陷性的准确预测。
42、3、本发明黄土颗粒间作用参数库的构建系统包括：参数获取模块、三维结构模型构建模块、颗粒数值模型构建模块、作用参数获取模块和数据库构建模块。参数获取模块用于获取原状黄土的基本物性参数和孔隙比-压力曲线，获取原状黄土在不同压力下饱水湿陷的压力-湿陷系数曲线以及相应的二维切片照片；三维结构模型构建模块用于根据二维切片照片重构不同压力和含水率下的原状黄土的三维结构模型；颗粒数值模型构建模块用于根据原状黄土的基本物性参数和原状黄土的三维结构模型构建原状黄土的颗粒数值模型；作用参数获取模块用于调整原状黄土的颗粒数值模型的颗粒间作用参数，得到不同压力和含水率条件下的颗粒数值模型的孔隙比-压力曲线和压力-湿陷系数曲线，使得颗粒数值模型与原状黄土的孔隙比-压力曲线相同，使得颗粒数值模型与原状黄土的压力-湿陷系数曲线相同；数据库构建模块用于基于不同深度地层，根据上述模块得到不同深度地层的原状黄土的颗粒间作用参数，构建黄土颗粒间作用参数库。各个模块相互配合，能够实现颗粒间作用参数数据库的构建，通过查询同一区域的颗粒间作用参数数据库，可以快速获取该区域不同条件下黄土的颗粒间作用参数，简化了同一区域其他待测黄土湿陷性的预测流程，同时也能够保证待测黄土湿陷性预测的准确性。
43、4、本发明黄土湿陷性预测系统包括待测黄土参数获取模块、待测黄土模型构建模块、待测黄土颗粒数值模型构建模块和湿陷性系数预测模块。待测黄土参数获取模块用于获取待测原状黄土的基本物性参数和二维切片照片；待测黄土模型构建模块用于根据待测原状黄土的二维切片照片重构待测原状黄土的三维结构模型；待测黄土颗粒数值模型构建模块用于根据待测原状黄土的基本物性参数和三维结构模型构建待测原状黄土的颗粒数值模型；湿陷性系数预测模块用于根据黄土颗粒间作用参数库的构建方法得到的黄土颗粒间作用参数库，设置待测原状黄土的颗粒数值模型的颗粒间作用参数，开展黄土湿陷系数测试数值模拟试验，获得待测原状黄土的压力-湿陷系数曲线，对待测原状黄土的湿陷性系数进行预测。各个模块相互配合，能够实现黄土湿陷性的准确预测，通过数值模拟试验结合颗粒间作用参数库，简化了预测流程。
1.黄土颗粒间作用参数库的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的黄土颗粒间作用参数库的构建方法，其特征在于，所述基本物性参数包括天然密度、含水率、比重以及颗粒粒径级配曲线。
3.根据权利要求1所述的黄土颗粒间作用参数库的构建方法，其特征在于，所述根据原状黄土的基本物性参数和原状黄土的三维结构模型构建原状黄土的颗粒数值模型，具体如下：
4.根据权利要求3所述的黄土颗粒间作用参数库的构建方法，其特征在于，所述根据单颗粒特征参数、单颗粒扩展超椭球方程参数和基本物性参数构建颗粒数值模型，具体如下：
5.根据权利要求1所述的黄土颗粒间作用参数库的构建方法，其特征在于，所述颗粒数值模型的颗粒间作用参数包括：法向接触刚度、切向接触刚度、滑动摩擦系数、滚动摩擦系数、非接触引力常数、非接触引力临界系数、颗粒间黏结抗拉强度、颗粒间黏结内聚力和颗粒间黏结内摩擦角。
6.根据权利要求1所述的黄土颗粒间作用参数库的构建方法，其特征在于，所述调整原状黄土的颗粒数值模型的颗粒间作用参数，得到不同压力和含水率条件下的颗粒数值模型的孔隙比-压力曲线和压力-湿陷系数曲线，具体如下：
7.根据权利要求1所述的黄土颗粒间作用参数库的构建方法，其特征在于，所述调整原状黄土的颗粒数值模型的颗粒间作用参数，得到不同压力和含水率条件下的颗粒数值模型的孔隙比-压力曲线和压力-湿陷系数曲线的步骤中，分别统计颗粒数值模型和原状黄土的三维结构模型中各个单孔隙的孔径-体积分数分布曲线，调整不同粒径颗粒之间的颗粒间作用参数，使得同样压力和含水率条件下的颗粒数值模型与原状黄土的三维结构模型具有相同的孔径分布特征。
8.一种黄土湿陷性预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.一种黄土颗粒间作用参数库的构建系统，其特征在于，包括：
10.黄土湿陷性预测系统，其特征在于，包括：
