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细观数值模拟在“土力学”课程教学中的应用分析

2024-11-25金炜枫

科技风 2024年32期

摘要:“土力学”是高校土木工程的一门核心课程,需要学生理解土的力学行为,进而为土木工程的应用和实践打下基础。而土力学中传统的三轴试验和环剪试验需要花费大量时间,为了提高效率且有效达到“土力学”的教学培养目标,提出将细观数值模拟的离散元方法引入“土力学”教学中。以三轴试验和环剪试验为例,展现了模拟过程,从而发挥细观模拟中颗粒力链组构和变形场可视化的优势,加深学生对受剪切时土体从强度到临界状态演化过程的理解,进而提高学生的学习热情。

关键词:数值模拟;土力学;三轴试验;环剪试验;离散元

文献标识码:A

ApplicationofNumericalSimulationintheTeachingof"SoilMechanics"

JinWeifeng*

SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,ZhejiangUniversityofTechnologyandScience

ZhejiangHangzhou310023

Abstract:"Soilmechanics",whichisacorecourseinthemajorofcivilengineering,requiresstudentstounderstandthemechanicalbehaviorofsoilandlaysafoundationforpracticeofcivilengineering.Traditionaltriaxialandringsheartestsinsoilmechanicsrequire asignificantamountoftime.Toimproveteachingefficiencyandachievetheteachingobjectivesofsoilmechanics,thediscreteelementmethodonthemicroscaleisintroduced.Takingtriaxialandringsheartestsasexamples,thesimulationprocesseswereshowedtorevealtheadvantageofthevisualizationofparticle forcechainsanddeformationfield,soastodeepenstudents'understandingoftheevolutionprocessofsoilfromstrengthtocriticalstateduringshearing,aswellastoenhancetheirlearningenthusiasm.

Keywords:Numericalsimulation;soilmechanics;triaxialtest;ringsheartest;discreteelementmethod

“土力学”是土木工程专业的基础课,其中的力学概念是土木工程专业的基础内容,因此开展教学研究具有重要意义。“土力学”课程的教学研究文献中,已有基于成果导向的课程教学改革[12],实验教学方法的探索[3],改革措施的研究[4],多尺度方法在教学中的应用[5],三位一体的教学模式构建[6],基于问题导向的教学研究[7],但是很少有文献聚焦模拟方法在“土力学”课程教学中的应用。现代“土力学”中的核心概念除了土体的强度,还有土体的临界状态,而这些需要用三轴试验和环剪试验来展示。但是传统的三轴试验和环剪切试验耗时过长,在当天的上课时间(3课时)内难以完成。因此采用细观数值模拟,可以充分发挥模拟场变形可视化和颗粒力链组构可视化的优势,加深学生对“土力学”中土体强度和临界状态的理解,增进学生的学习兴趣,且提高课堂效率。

1课堂特征和传统授课方法

“土力学”课堂上,应围绕教学培养目标进行。教学培养目标包含学生应掌握基本理论概念,获得工程师的基本训练和本专业的实践创新能力。在“土力学”计算和实际工程中,土体的强度等指标参数是核心内容。而传统授课中,若通过三轴试验和环剪试验让学生认知土体的强度和临界状态概念会耗费大量时间,难以从细观机理上理解土体的强度和变形行为。而通过细观颗粒模拟方法,可以让学生快速理解三轴和环剪试验的过程,提高掌握基本概念和实验要点的效率。

2细观模拟方法在课程中的应用

这里提出将细观模拟方法引入“土力学”课程中,针对三轴试验和环剪试验开展数值模拟,通过展示建模过程及模拟结果,将细观模拟结合到对应内容的课堂教学中。

2.1在三轴试验教学中引入细观模拟

三轴试验是“土力学”中的基本试验。教学中首先介绍单元体的概念:如图1所示,单元体受竖向应力σ1和水平方向上相互垂直的均布应力σ2和σ3;水平向应力由围压室施加且σ2=σ3;常规三轴试验里保持围压不变,且逐渐增大竖向应力σ1,试样沿图1中的滑动面移动,在此剪切过程中,剪应力峰值作为强度指标,例如,过剪应力峰值后,只有剪应变变大,而应力和体应变都保持不变,这时试样处于临界状态。

其次,教学中引入细观模拟的离散元方法,向学生介绍数值模拟的建模过程:将图1单元体用双轴试验模拟,基于离散元软件PFC2D,采用颗粒参数为密度ρ=2650kg/m3,泊松比υ=0.28,剪切模量G=29GPa以及摩擦系数f=0.9,生成的颗粒级配曲线如图2所示,颗粒集合体如图3(a)所示,黄色的线条表示刚性墙,两侧的刚性墙施加伺服围压(对应于图1中的σ2),顶部和底部的刚性墙对颗粒集合体施加载荷(对应于图1中σ1)。图3(b)显示了颗粒接触力形成的力链,这样的细观力链在宏观上即表现为平均应力。

最后,在教学中给出数值模拟结果:图4(a)给出数值模拟剪应力随轴向应变变化曲线,对于土的强度,一般取剪应力峰值;图4(b)给出体应变随轴向应变变化曲线,“土力学”中压缩为正,因此图中体应变峰值点表示土体压缩到最小的状态,这个点也称为相变点,即剪缩到剪胀的转换点;图4(c)给出应力比q/p随轴向应变变化曲线,可以看到随围压增大,曲线初始斜率降低,但进入临界状态后,应力比q/p都近似相同。上述特性都与实际三轴排水剪切试验相同,而且通过离散颗粒模拟,可以从细观上观察颗粒的细观力链组构,加深学生对“土力学”的理解。

2.2环剪试样的细观模拟

在“土力学”教学中,引入环剪试验的数值模拟。环剪试验相对三轴试验的优势是可以提供无穷大的剪应变。先介绍环剪试验的基本概念,如图6所示,环状土试样在底部和侧边和刚性壁接触(即土样置于环状容器中),试样顶部受压力同时受剪力(如图5中箭头所示),且这样的剪力产生的剪切位移可以无穷大,因此试样在进入临界状态后,受到的应力和体应变不变,只有不断增大的剪应变,且这样的临界状态可以一直维持下去。

在教学中,展示建立环剪试验的数值模型如图6(a)所示,颗粒集合体底部为固定的刚性墙,顶部刚性墙提供竖直的伺服应力且保持水平移动以提供剪应力,颗粒集合体两侧边为周期性边界(即右边移出的颗粒又从左边移入),从而模拟环剪试验。图6(b)显示颗粒集合体在进入临界状态后的变形情况。图6(a)中还显示了测量圈,测量圈内统计颗粒的平均应力。

教学中还展示土受剪切时的力和变形演化过程:图7(a)—图7(c)分别显示水平应力、剪应力和体应变随剪应变的变化曲线,可以看到剪应变在超过41%后,水平应力、剪应力和体应变一直维持不变,即试样进入临界状态。同三轴试验相比,剪应变增大时,环剪试验更有利于维持临界状态,通过这样的细观颗粒数值模拟,有助于学生理解三轴试验和环剪试验实现临界状态的区别。教学中通过展示数值建模过程和模拟结果,有助于学生掌握三轴试验和环剪试验的概念,提高教学效率。

结语

细观模拟方法作为一种有效的模拟工具,在“土力学”课程中可以发挥重要作用。细观模拟方法使学生得到联系宏细观力学变量的方法,通过离散颗粒数值模拟三轴试验和环剪试验,学生可以看到土体经历强度峰值到临界状态过程中试样的宏观应力和应变情况,同时可视化细观尺度上颗粒的力链分布以及变形场,从而加深学生对“土力学”中强度和临界状态核心概念的理解,也提高了学生解决“土力学”实际问题的能力。本研究不仅丰富了教学方法,也为相关教学研究提供思路。

参考文献:

[1]崔猛,盛国君,夏志凡,等.OBE理念下《土力学》课程教学改革研究[J].长春工程学院学报(社会科学版),2024,25(1):117121.

[2]方娟,陈昌禄,李密,等.新工科背景下基于OBE理念的土力学课程改革探索[J].创新创业理论研究与实践,2023,6(09):4043+94.

[3]赵屹峰,陈磊磊.实验教学方法在土力学课程中的实践探索[J].低碳世界,2024,14(3):187189.

[4]于锋,陈海明,马宏伟,等.“土力学”课程的教学特点和改革措施分析[J].安徽建筑.2024,31(02):9091.

[5]周凤玺,侯彦东,王立宪.多尺度分析方法在土力学教学中的应用探讨[J].大学,2023(13):2629.

[6]张凌凯,李莎.基于“价值、知识、能力”三位一体的研究生课程教学模式构建与探索:以高等土力学为例[J].科教文汇,2023(8):98101.

[7]贺敏,滕珂,欧蔓丽,等.PBL模式的“土力学”课程教学探索与实践[J].科教导刊,2023(12):143145.

基金项目:浙江科技大学国际教育专项课题(2022IERC003);研究生教学改革项目(2022yjsjg10)

*通讯作者:金炜枫(1982—),男,汉族,浙江临海人,博士,副教授,主要从事土力学教学和研究工作。