方春輝（上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306）

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土與結(jié)構(gòu)物相互作用的數(shù)值模擬研究綜述

方春輝
（上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306）

摘 要：本文概述了土與結(jié)構(gòu)物相互作用的理論研究價值和工程意義。結(jié)合土與結(jié)構(gòu)物相互作用的試驗，闡述了應(yīng)用PFC2D程序?qū)ν僚c結(jié)構(gòu)物相互作用問題進行數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀，主要介紹了PFC2D數(shù)值模擬研究的優(yōu)勢與方法。

關(guān)鍵詞：土與結(jié)構(gòu)物；研究價值；PFC2D程序；數(shù)值模擬

0　引言

在巖土工程的修建與維護過程中，往往會遇到土與結(jié)構(gòu)物相互作用的問題，如地基和基礎(chǔ)的相互作用，樁體和樁周土的相互作用，土工織物與土之間的相互接觸作用等。目前諸多學(xué)者已經(jīng)對該問題進行了研究，研究的內(nèi)容主要為土與結(jié)構(gòu)物相互作用的物理試驗和土與結(jié)構(gòu)物相互作用的數(shù)值模擬。

1　土與結(jié)構(gòu)物相互作用的試驗

土與結(jié)構(gòu)物相互作用的試驗是研究土與結(jié)構(gòu)物相互作用問題的主要方法，通過不同條件下的土與結(jié)構(gòu)物相互作用試驗，可以對影響結(jié)構(gòu)物接觸面土體力學(xué)特性的因素進行分析。已有部分學(xué)者通過土與結(jié)構(gòu)物相互作用試驗進行研究，王偉［1］通過多種接觸面改進直剪試驗，進行了接觸單剪試驗。盧廷浩［2］等進行了較為全面的土與不同結(jié)構(gòu)接觸面特性的試驗， 觀察了接觸面的錯動位移和剪切位移。但是土與結(jié)構(gòu)物的相互作用試驗一般只能得到宏觀的力學(xué)表現(xiàn)，對接觸面土體的細觀力學(xué)特性認識不夠。土體作為一種由散狀顆粒組成的集合體，細觀結(jié)構(gòu)的的變化才是引起宏觀力學(xué)表現(xiàn)的內(nèi)因，因此只進行土與結(jié)構(gòu)物相互作用的試驗是遠遠不夠的，與實際工程的應(yīng)用還有差距。

2　土與結(jié)構(gòu)物相互作用的數(shù)值模擬

離散元法作為一種常用于研究散體介質(zhì)細觀力學(xué)特性的數(shù)值方法，特別適用于分析土這種具有不連續(xù)性和離散性的顆粒離散介質(zhì)。PFC2D（Partiele Flow Code in 2 Dimensions）作為一種常見的離散元法，通過圓形顆粒介質(zhì)的運動及相互間的作用來模擬土體顆粒間的相互作用。目前已有部分學(xué)者應(yīng)用PFC軟件進行研究，同濟大學(xué)的周健［4-5］研究組采用PFC軟件對砂土的細觀力學(xué)性質(zhì)、滲流等進行了模擬， 揭示了顆粒流理論的數(shù)值仿真試驗?zāi)軌蛲黄瞥Ｒ?guī)土工試驗在儀器設(shè)備能力、試驗條件上的局限性， 對實際土樣的本構(gòu)行為做出理論方面的預(yù)測。

建立PFC顆粒數(shù)值模擬和運行模型的主要步驟如下：①通過實際試驗情況確定顆粒參數(shù)，如顆粒半徑、顆粒剛度、顆粒密度、顆粒間摩擦力及試樣孔隙率等；②將已經(jīng)生成的試樣在摩擦力和重力作用下循環(huán)至不平衡力接近零；③根據(jù)實際試驗情況施加荷載，使得試樣應(yīng)力變化與實踐情況相符。

通過一個簡單例子來介紹PFC2D軟件的模擬方法，首先建立4面墻體，經(jīng)過試算確定墻體剛度；再在墻體內(nèi)生成相應(yīng)數(shù)目的顆粒，并確定相關(guān)參數(shù)，墻體及土顆粒參數(shù)可見表1。該數(shù)值模擬試驗中的下部墻體可進行水平向右移動，通過PFC2D軟件觀察在下部墻體水平運動過程中對土體的影響。

表1　PFC2D數(shù)值模型細觀參數(shù)

應(yīng)用PFC2D軟件模擬后，能夠得到下部墻體在運動時土體顆粒速度分布圖及顆粒位移分布圖分布圖，如圖1所示。在顆粒速度分布圖中可以看出當下部墻體向右移動時，顆粒運動較集中與靠近下部墻體的接觸面處，離接觸面較遠處的顆粒運動較小，且接觸面顆粒的右側(cè)速度要大于左側(cè)，顆粒速度方向為水平向右；在顆粒位移的分布圖中可以得到，發(fā)生較大位移的顆粒主要集中于接觸面處，與顆粒速度分布圖的現(xiàn)象一致，且接觸面右側(cè)的顆粒運動要大于接觸面左側(cè)顆粒。因此可得到當下部墻體向右移動時，對接觸面處土體顆粒的影響較大，且接觸面處右側(cè)土體顆粒運動較左側(cè)更為集中。

3　結(jié)語

對于研究土與結(jié)構(gòu)物相互作用問題，離散元程序相對于有限元程序有著明顯優(yōu)勢。利用PFC2D等程序能夠從顆粒層面對土與結(jié)構(gòu)物相互作用時接觸面土體的變形和強度特性進行分析，也可以從土體孔隙率、顆粒級配等參數(shù)方面，對接觸面土體的細觀力學(xué)特性進行研究。通過應(yīng)用PFC2D程序?qū)ν僚c結(jié)構(gòu)物相互作用問題的數(shù)值模擬研究，能夠為之后學(xué)者提供研究思路。

參考文獻：

［1］王偉.基于能量耗散原理的土與結(jié)構(gòu)接觸面模型研究和應(yīng)用［D］.南京：河海大學(xué)，2006.

［2］張冬霽，盧廷浩.一種土與結(jié)構(gòu)接觸面模型的建立及其應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報，1998.11（06）：62-67.

［3］周健，池泳.砂土力學(xué)性質(zhì)的細觀模擬［J］.巖土力學(xué)，2003，24（06）：901-906.

［4］周健，張剛，孔戈.滲流的顆粒流細觀模擬［J］.水利學(xué)報，2006，37（01）：28-32.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.13.102

作者簡介：方春輝（1991-），男，浙江杭州人，碩士研究生，研究方向：港口、近海及海洋工程結(jié)構(gòu)與巖土工程。