基于SPH方法的土體大變形數(shù)值模擬研究.pdf

1、土體大變形通常表現(xiàn)為邊坡、基坑、路堤等的失穩(wěn)破壞，往往會造成構(gòu)(建)筑物的嚴重破壞和人員的重大傷亡。土體大變形的分析對于工程設計和防災減災具有重要的意義，但目前還沒有得到較好的解決，其中一個關鍵原因是數(shù)值計算并沒有完全反映土體大變形的力學特征。 針對土體大變形的變形運動特性，本論文采用光滑質(zhì)點流體動力學方法(Smoothed Particle Hydrodynamics，簡稱SPH方法)分析了土體大變形中的典型問題，主要進行了以

2、下幾個方面的工作： (1)對目前土體大變形分析的研究成果進行了較為系統(tǒng)的總結(jié)和分析，并指出了現(xiàn)有土體大變形數(shù)值模擬常用方法存在的問題和不足。在此基礎上，針對本文所使用的SPH方法，評析了其在土體大變形分析中的研究基礎。 (2)詳細分析了SPH方法的基本原理，說明SPH方法是一種應用質(zhì)點表示物質(zhì)的方法(不需要預先定義質(zhì)點間的聯(lián)系，只需對計算對象進行質(zhì)點的初始分布)，同時指出其核心問題是函數(shù)的光滑近似逼近和質(zhì)點近似逼近。這樣

3、，具備了無網(wǎng)格、質(zhì)點形式和拉格朗日性質(zhì)的SPH方法避免了網(wǎng)格變形問題，適宜處理大變形問題。同時，并基于SPH核心理論，闡述了流體動力學控制方程和彈塑性力學的SPH格式建立過程。 (3)相對于網(wǎng)格化方法，分析了SPH方法中處理壓力求解的辦法，介紹了各種質(zhì)點搜索方法和光滑核函數(shù)對計算范圍和精度的影響，并從中選取了Verletneighbor list方法作為本文的質(zhì)點搜索技術(shù)，同時選擇了一種三次樣條函數(shù)作為光滑核函數(shù)，并在此基礎上，

4、基于FORTRAN語言自主研制了適合于土體大變形分析的SPH數(shù)值計算程序； (4)針對本文所研制的SPH方法數(shù)值模擬模型進行了嚴格的驗證，實現(xiàn)了潰壩水體自由運動的計算，和完全彈性體單剪試驗的數(shù)值模擬計算，并通過相關的試驗數(shù)據(jù)和理論解析解，完成了對本文所編制SPH程序的驗證工作，同時體現(xiàn)出SPH方法在解決大變形問題上無網(wǎng)格、質(zhì)點形式、拉格朗日性質(zhì)以及自適應性等優(yōu)點。 (5)針對土體大變形的流體動力學特性和彈塑性力學特性，分

5、別使用賓漢姆流體模型和修正劍橋模型改進了相應的SPH模型，完成了土體大變形流動模型試驗和土樣大變形非排水單剪試驗的數(shù)值模擬分析。通過與試驗實測資料和理論解析解的對比，結(jié)果表明了SPH方法在不同理論下進行土體大變形研究的有效性。 本文基于SPH方法，針對土體大變形問題，通過建立相應的SPH方法數(shù)值模型進行了數(shù)值計算分析，并獲得了較好的效果。分析中，以彈塑性力學為主的同時引入流體動力學手段，達到了促進土體變形研究方法多元化的目的，獲