岩土力学 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (4): 1186-1200.doi: 10.16285/j.rsm.2020.1058

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考虑土颗粒微细观运动的多尺度耦合 有限元分析方法

刘嘉1,冯德銮2   

  1. 1. 中交湾区(广东)投资发展有限公司,广东 广州 510000;2. 广东工业大学 土木与交通工程学院,广东 广州 510006
  • 收稿日期:2020-07-23 修回日期:2020-11-08 出版日期:2021-04-12 发布日期:2021-04-26
  • 通讯作者: 冯德銮,男,1985年生,博士,讲师,主要从事岩土工程方面的教学与研究工作。E-mail: wolfluan@126.com E-mail:liujiazhjwq@126.com
  • 作者简介:刘嘉,男,1981年生,博士,教授级高级工程师,主要从事岩土工程方面的管理与研究工作
  • 基金资助:
    广东省自然科学基金(No. 2017A030310244)

A multi-scale coupling finite element method based on the microscopic soil particle motions

LIU Jia1, FENG De-luan2   

  1. 1. CCCC Bay Area(Guangdong) Investment and Development Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510000, China; 2. School of Civil and Transportation Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510006, China
  • Received:2020-07-23 Revised:2020-11-08 Online:2021-04-12 Published:2021-04-26
  • Supported by:
    This work was supported by the Natural Science Foundation of Guangdong Province, China (2017A030310244).

摘要: 土体是一种多相碎散性颗粒材料,具有显著的非均匀非连续力学特性。建立在单一宏观尺度上的经典弹塑性有限元法忽略了土体微细观尺度上的控制机制,不能模拟和预测土体跨尺度层次演化的变形?破坏过程。为研究土体微细观尺度上的物理细节和运动特征对宏观力学响应的影响规律,基于多尺度分层次的土体胞元模型,建立考虑土颗粒转动自由度的多尺度耦合颗粒微转动理论,并编制相应的颗粒微转动理论多尺度耦合有限元程序,对地基塑性区的开展深度进行模拟和预测。结果表明:颗粒微转动理论能有效地实现土颗粒微细观运动细节与土体宏观力学响应的跨尺度耦合关联,且可有效地克服经典有限元法的病态网格依赖性问题;土颗粒的转动位移主要集中在地基塑性区范围内,颗粒转动位移最大值为4°;地基塑性区的开展深度随地基土的颗粒粒径和弹性模量的增加而增大。地基塑性区跨尺度演化的微细观物理机制可解释为:土颗粒的微观转动削弱了颗粒之间应变的传递能力,进而形成塑性应变的集中和发展,最终导致地基的塑性区贯通而发生破坏。

关键词: 土力学, 地基塑性区, 多尺度耦合, 土颗粒转动, 有限元模拟

Abstract: Soil is a multi-phase and multi-scale geomaterial that exhibits dramatically inhomogeneous and discontinuous physical nature. Conventional finite element method, which is conceptualized at a single macroscale and ignores the control mechanism of soil at the micro and meso scales, cannot reproduce and predict the multi-scale and hierarchical failure of soil. In order to investigate the influence of the physical details and kinematic characteristics of soil at the microscale associated with the global mechanical responses, a multi-scale particle micro-rotation theory is established according to the concept of the soil cell element model. The method is implemented into a multi-scale finite element code, and is used to reproduce and predict the depth of foundation plastic zone. The numerical simulation results show that the multi-scale coupling finite element model can relate the motion feature of soil particles at the microscale to the mechanical response of soil at the macroscale; the rotation displacements of soil particles concentrate upon the plastic zone and has an average value of 4°; the depth of foundation plastic zone increases as the size of soil particle and elasticity modulus of soil increases respectively. The concentration and development of plastic deformation, which is caused by the particle rotation leading to a degradation of the ability of strain transmission, are the micro-mesoscale physical mechanism of the trans-scale evolution of foundation plastic zone.

Key words: soil mechanics, foundation plastic zone, multiscale coupling, soil particle rotation, finite element simulation

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[1] 武孝天, 姚仰平, 魏然, 崔文杰. 基于统一硬化模型的隧道施工引发土体变形数值模拟[J]. 岩土力学, 2025, 46(3): 1013-1024.
[2] 张小燕, 李吉, 蔡燕燕, 张晋勋, . 航油储罐珊瑚砂地基变形特性研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(12): 3738-3747.
[3] 潘鹏志, 王兆丰, 封雨捷, 李雨芯, . 深空探测任务中岩土力学若干问题及研究进展[J]. 岩土力学, 2024, 45(11): 3153-3172.
[4] 朱建民, 郑建国, 于永堂, 蔡晶, 夏辉, . 新型电控式钻孔剪切仪的研制及测试验证[J]. 岩土力学, 2023, 44(S1): 687-697.
[5] 刘宽, 叶万军, 高海军, 董琪, . 酸碱污染黄土抗剪强度演化规律及微观机制[J]. 岩土力学, 2022, 43(S1): 1-12.
[6] 夏洋洋, 方宏远, 张超, 潘艳辉, 翟文博, 石明生, . 顶管施工对新型复合装配式支护工作井的 力学响应分析[J]. 岩土力学, 2022, 43(10): 2799-2808.
[7] 吴奔, 刘维, 史培新, 付春青. 盾构隧道掘进面失稳螺旋破坏机制分析[J]. 岩土力学, 2021, 42(3): 767-774.
[8] 张 泽, 马 巍, ROMAN Lidia, MELNIKOV Andrey, 杨 希, 李宏璧. 基于冻融次数−物理时间比拟理论的冻土 长期强度预测方法[J]. 岩土力学, 2021, 42(1): 86-92.
[9] 刘家顺, 王来贵, 张向东, 杨建军, 孙嘉宝, . 部分排水条件下饱和黏土 渐近状态本构模型研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(2): 485-491.
[10] 蒋万里, 朱国甫, 张杰, . 单桩承载力的一种直接动测法[J]. 岩土力学, 2020, 41(10): 3500-3508.
[11] 刘忠玉, 夏洋洋, 张家超, 朱新牧. 考虑Hansbo渗流的饱和黏土 一维弹黏塑性固结分析[J]. 岩土力学, 2020, 41(1): 11-22.
[12] 刘家顺, 王来贵, 张向东, 李学彬, 张建俊, 任 昆, . 部分排水时饱和粉质黏土变围压循环三轴试验研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(4): 1413-1419.
[13] 王丽琴, 邵生俊, 王 帅, 赵 聪, 石鹏鑫, 周 彪, . 原状黄土的压缩曲线特性[J]. 岩土力学, 2019, 40(3): 1076-1084.
[14] 王丽琴,邵生俊,赵 聪,鹿忠刚,. 黄土初始结构性对其压缩屈服的影响[J]. , 2018, 39(9): 3223-3228.
[15] 丑亚玲,郏书胜,张庆海,曹 伟,盛 煜,. 考虑结构性的冻融作用对黄土湿陷系数的影响[J]. , 2018, 39(8): 2715-2722.
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