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科研進展

武漢巖土所自主化國產軟件-“巖土工程大變形數值仿真分析軟件”研究取得進展

發表日期:2023-09-25來源:武漢巖土力學研究所放大 縮小

  近年來,巖土工程大變形數值仿真分析方法迅猛發展。該方法既能模擬評估巖土工程的穩定性,為實際工程提供設計支撐的基礎,同時能進一步模擬工程結構破壞形式、失效過程等,評價工程失穩所造成的危害。為推動大變形數值仿真分析方法在實際工程的應用,中國科學院武漢巖土力學研究所王頔助理研究員、陳昊博士后及其團隊成員開發了一套自主化國產軟件,該軟件基于物質點法(MPM)、離散單元法(DEM)和傳統有限元法(FEM),結合圖形加速處理技術(GPU),構建了高效的巖土工程大變形數值仿真分析平臺,實現了諸如新磨村滑坡等大變形失效過程的高效模擬(如圖1)。

  目前,巖土工程大變形數值模擬方法仍存在一些缺陷,特別是對巖土體失效機制的模擬和分析方面。已有數值模擬方法多注重于宏觀評估巖土工程問題的穩定性、破壞形式、失效過程等,通常采用唯象本構模型和連續性介質假設對巖土體進行模擬。這些方法雖然能把握巖土體的物理力學響應,但缺乏對巖土體內部作用機制的捕捉,難以充分刻畫內在失效機制;另一方面,基于離散介質的數值模擬方法能較好地描述土體顆粒層面的微觀機制,但在處理實際工程問題時受到計算成本的限制。因此,工程尺度邊坡失效破壞過程仍缺乏有效的模擬方法和深入的機制研究。

  針對這一現狀,該套自主化國產軟件新增了基于MPM-DEM耦合的多尺度數值分析模塊,開發了一種基于MPM-DEM耦合的層級多尺度數值模擬方法(如圖2),并將其應用于三軸實驗模擬、邊坡破壞分析等方面,旨在全面了解邊坡失效和破壞后的巖土體宏微觀響應機制。一方面,該方法在傳統物質點法(MPM)的基礎上引入Affine-particle-in-cell (APIC)速度更新格式和B樣條基函數,提高了宏觀模擬的穩定性;另一方面,引入了代表性體積單元(RVE)替代本構模型,捕捉巖土體微觀物理力學演化機制。通過在顆粒間使用Coulomb摩擦定律和Johnson-Kendall-Robert(JKR)粘聚力模型再現微觀顆粒的摩擦和粘結效應。

  基于該層級多尺度數值模擬方法,模擬再現了不同摩擦、粘結、級配特性下邊坡的大變形失效過程,探究了邊坡大變形失效過程中滑帶內部土體的微觀失效機制。多尺度分析顯示:滑帶破壞中,坡趾處的土體受到剪切作用強烈,而頂部破壞作用則受到拉伸作用(如圖3);基于該方法對漸進式邊坡破壞過程進行了更深入的分析,發現這類失效往往由坡趾處微小的破壞引起,但可以持續發展至數公里的范圍。層級多尺度方法模擬分析結果顯示:土壤的流動破壞與顆粒材料的剪切破壞相關,而宏觀剪切帶的發展通常伴隨著拉伸破壞(如圖4)。由于剪切和拉伸破壞是摩擦和粘聚材料的典型破壞機制,可以推斷摩擦和粘聚效應在不同的漸進式破壞模式中起到關鍵作用。因此,通過進一步探究微觀顆粒粘結和摩擦作用力的分布規律,提出了一個微觀描述參數 來量化摩擦和粘聚之間的相互作用。進一步的分析證明: 可以捕捉摩擦和粘聚的效應,并區分不同的退步性破壞模式(如圖5)。最后,建立了一個顆粒邊坡的一系列漸進式破壞模式云圖,其中破壞機制通過不同的主導效應來解釋,即土壤中的摩擦或粘聚(如圖6)。

  相關研究成果發表在Journal of Geophysical Research: Solid Earth和Computers and Geotechnics等國際期刊上,研究工作獲得了中國科學院青年人才項目、國家自然科學基金面上項目(51979270、51709258)資助。

  論文鏈接:

  https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2022JB026008

  https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0266352X22002300?via%3Dihub 

 

圖1 新磨村滑坡堆積模擬結果與勘探及其他模擬方法對比    

圖2 基于物質點法-離散單元法耦合的多尺度數值模擬方法   

圖3 邊坡失效滑帶多尺度分析   

圖4 漸進式邊坡破壞機制多尺度分析   

圖5 破壞模式量化指標 與分布模式

 

圖6 邊坡漸進式破壞模式分布云圖

附件:
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