土与结构物相互作用的数值模拟研究综述

方春辉（上海海事大学 海洋科学与工程学院，上海 201306）



土与结构物相互作用的数值模拟研究综述

方春辉
（上海海事大学 海洋科学与工程学院，上海 201306）

摘 要：本文概述了土与结构物相互作用的理论研究价值和工程意义。结合土与结构物相互作用的试验，阐述了应用PFC2D程序对土与结构物相互作用问题进行数值模拟研究现状，主要介绍了PFC2D数值模拟研究的优势与方法。

关键词：土与结构物；研究价值；PFC2D程序；数值模拟

0　引言

在岩土工程的修建与维护过程中，往往会遇到土与结构物相互作用的问题，如地基和基础的相互作用，桩体和桩周土的相互作用，土工织物与土之间的相互接触作用等。目前诸多学者已经对该问题进行了研究，研究的内容主要为土与结构物相互作用的物理试验和土与结构物相互作用的数值模拟。

1　土与结构物相互作用的试验

土与结构物相互作用的试验是研究土与结构物相互作用问题的主要方法，通过不同条件下的土与结构物相互作用试验，可以对影响结构物接触面土体力学特性的因素进行分析。已有部分学者通过土与结构物相互作用试验进行研究，王伟［1］通过多种接触面改进直剪试验，进行了接触单剪试验。卢廷浩［2］等进行了较为全面的土与不同结构接触面特性的试验， 观察了接触面的错动位移和剪切位移。但是土与结构物的相互作用试验一般只能得到宏观的力学表现，对接触面土体的细观力学特性认识不够。土体作为一种由散状颗粒组成的集合体，细观结构的的变化才是引起宏观力学表现的内因，因此只进行土与结构物相互作用的试验是远远不够的，与实际工程的应用还有差距。

2　土与结构物相互作用的数值模拟

离散元法作为一种常用于研究散体介质细观力学特性的数值方法，特别适用于分析土这种具有不连续性和离散性的颗粒离散介质。PFC2D（Partiele Flow Code in 2 Dimensions）作为一种常见的离散元法，通过圆形颗粒介质的运动及相互间的作用来模拟土体颗粒间的相互作用。目前已有部分学者应用PFC软件进行研究，同济大学的周健［4-5］研究组采用PFC软件对砂土的细观力学性质、渗流等进行了模拟， 揭示了颗粒流理论的数值仿真试验能够突破常规土工试验在仪器设备能力、试验条件上的局限性， 对实际土样的本构行为做出理论方面的预测。

建立PFC颗粒数值模拟和运行模型的主要步骤如下：①通过实际试验情况确定颗粒参数，如颗粒半径、颗粒刚度、颗粒密度、颗粒间摩擦力及试样孔隙率等；②将已经生成的试样在摩擦力和重力作用下循环至不平衡力接近零；③根据实际试验情况施加荷载，使得试样应力变化与实践情况相符。

通过一个简单例子来介绍PFC2D软件的模拟方法，首先建立4面墙体，经过试算确定墙体刚度；再在墙体内生成相应数目的颗粒，并确定相关参数，墙体及土颗粒参数可见表1。该数值模拟试验中的下部墙体可进行水平向右移动，通过PFC2D软件观察在下部墙体水平运动过程中对土体的影响。

表1　PFC2D数值模型细观参数

应用PFC2D软件模拟后，能够得到下部墙体在运动时土体颗粒速度分布图及颗粒位移分布图分布图，如图1所示。在颗粒速度分布图中可以看出当下部墙体向右移动时，颗粒运动较集中与靠近下部墙体的接触面处，离接触面较远处的颗粒运动较小，且接触面颗粒的右侧速度要大于左侧，颗粒速度方向为水平向右；在颗粒位移的分布图中可以得到，发生较大位移的颗粒主要集中于接触面处，与颗粒速度分布图的现象一致，且接触面右侧的颗粒运动要大于接触面左侧颗粒。因此可得到当下部墙体向右移动时，对接触面处土体颗粒的影响较大，且接触面处右侧土体颗粒运动较左侧更为集中。

3　结语

对于研究土与结构物相互作用问题，离散元程序相对于有限元程序有着明显优势。利用PFC2D等程序能够从颗粒层面对土与结构物相互作用时接触面土体的变形和强度特性进行分析，也可以从土体孔隙率、颗粒级配等参数方面，对接触面土体的细观力学特性进行研究。通过应用PFC2D程序对土与结构物相互作用问题的数值模拟研究，能够为之后学者提供研究思路。

参考文献：

［1］王伟.基于能量耗散原理的土与结构接触面模型研究和应用［D］.南京：河海大学，2006.

［2］张冬霁，卢廷浩.一种土与结构接触面模型的建立及其应用［J］.岩土工程学报，1998.11（06）：62-67.

［3］周健，池泳.砂土力学性质的细观模拟［J］.岩土力学，2003，24（06）：901-906.

［4］周健，张刚，孔戈.渗流的颗粒流细观模拟［J］.水利学报，2006，37（01）：28-32.

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

作者简介：方春辉（1991-），男，浙江杭州人，硕士研究生，研究方向：港口、近海及海洋工程结构与岩土工程。