砂性土宏细观结构数值模拟研究

从实际操作的角度出发，采用试验法研究颗粒材料的细观结构一般都耗时、不经济、操作困难。从理论分析角度出发，试验法具有前文提到的时间限制和空间限制。数值模拟法成为研究颗粒材料的细观结构的一种重要方法，得到越来越多学者的青睐。数值模拟不仅省时、经济，而且还可以很好地解决试验法中的时间问题和空间问题。除此以外，只要数值模型合理有效，数值模拟可以获得很多试验法很难或无法获得的数据。比如，在实验室中很难测得试样抗剪过程中力链的变化，但是在数值模拟中可以方便地获得。虽然数值模拟不能完全取代室内试验，但是可以和室内试验互为补充，成为进一步深入研究颗粒材料细观特性的一种重要方法。

研究颗粒土细观结构的数值模拟方法有很多，主要可以分为两类：基于连续介质的方法和基于离散体的方法。在连续介质法中，土体被视为连续介质，连续介质法的最大优点是模型建立时有很多成熟本构模型可以选用（Rudnicki and Rice，1975；Muehlhaus and Vardoulakis，1987；Vardoulakis，1989；Gudehus and Nübel，2004；Voyiadjis et al.，2005；Kim，2005），且模型参数易于获得。但是颗粒材料本质上是由一个个独立的颗粒组成的，这些颗粒不连续，通过相邻颗粒的接触点相互作用，颗粒之间的运动相对独立。离散体法是一种基于离散介质法来研究土颗粒特性的数值方法，通过颗粒的运动方程和牛顿公式来建立颗粒材料模型。离散体法与连续介质法相比，这种方法更符合颗粒材料的实际状态，可以更好地对颗粒材料的细观结构和细观力学进行研究，近年来被越来越多的学者所采用（Cundall and Strack，1979；Cundall，1989；Bardet and Proubet，1991；Ng and Dobry，1992；Bardet，1994；Oda and Iwashita，2000；Sitharam et al.，2002；Suiker and Fleck，2004；Evans，2005；Zhu et al.，2006）。离散单元法计算中，交替使用颗粒接触点处的力—位移方程和牛顿第二定律，通过已知位移和力—位移方程计算接触力，通过已知接触力和牛顿第二定律确定颗粒的运动，反复循环计算模拟颗粒材料的行为特性。(www.xing528.com)

离散单元法被国内一些学者用来进行理论研究和实际应用的数值模拟分析。蒋明镜等在标准离散元模型的基础上提出了一种考虑颗粒转动摩擦力，用一定接触宽度来代替标准离散元的点接触的二维模型。在实际应用上，蒋明镜等还用离散单元法对静力触探试验进行了二维数值模拟。刘斯宏等用DEM模拟了颗粒介质的双轴压缩试验，分析了颗粒介质在压缩-剪切过程中的内部细观结构，基于颗粒接点数分布的变化提出一个颗粒介质的屈服函数。张洪武等基于空隙胞元法，采用颗粒离散元法模拟了二维颗粒试样的平面应变试验。周健等利用离散单元法对管涌发生发展过程、循环荷载下砂土的液化特性等实际问题进行了数值模拟。