水土耦合SPH数值模型的正则化修正及其应用

作者:张卫杰[1,2] ;高玉峰[1,2] ;黄雨[3] ;前田健一[4] 刊名:岩土工程学报 上传者:唐子茜

【摘要】传统光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,简称SPH)方法的光滑粒子近似在粒子数量不足的区域可能导致场函数及其梯度的不合理评价,从而引起物理量的非正常波动,即张力不稳定问题(tensile instability)。针对当前研究较少关注岩土工程SPH方法精度问题的现状,提出了一种基于正则化修正的水土耦合SPH数值模型,较好地避免了张力不稳定问题。在提出的模型中,根据Biot固结原理将固相(土骨架)和液相(孔隙水)分配到不同的计算层,同时通过状态方程计算液相的压力变化,采用弹性模型描述土骨架的应力–应变关系。在三维水体溃坝模型的模拟、无地下水和有地下水的堤防自重应力分析中应用了提出的SPH模型,并对比分析了有限元、未修正SPH和修正SPH计算结果,表明基于正则化修正的SPH模型较未修正模型具有更好的精度,为SPH方法在岩土体渐进式破坏问题上的应用提供了重要的参考意义。

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第 40卷 2018在 第 2期 2月 岩 土 工 程 学 报 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Vo1.40 No.2 Feb. 2Ol8 DoI: l0.11779/CJGE201802006 水土耦合 SPH数值模型的正则化修正及其应用 张卫杰 ,高玉峰 ,黄 雨 ,前田健一 (1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏 南京 210098;2.河海大学土木与交通学院岩土工程研究所,江苏 南京 210098 3.同济大学地下建筑与工程系,上海 200098;4.名古屋工业大学土木工程系,名古屋 466—8555) 摘 要:传统光滑粒子流体动力学 (smoothed particle hydrodynamics,简称 SPH)方法的光滑粒子近似在粒子数量不足 的区域可能导致场函数及其梯度的不合理评价,从而引起物理量的非正常波动,即张力不稳定问题 (tensile instability)。 针对当前研究较少关注岩土工程 SPH方法精度问题的现状,提出了一种基于正则化修正的水土耦合 SPH数值模型,较 好地避免了张力不稳定问题。在提出的模型中,根据 Biot固结原理将固相 (土骨架)和液相 (孔隙水)分配到不同的 计算层,同时通过状态方程计算液相的压力变化,采用弹性模型描述土骨架的应力 一应变关系。在三维水体溃坝模型 的模拟、无地下水和有地下水的堤防白重应力分析中应用了提出的 SPH模型,并对比分析了有限元、未修正 SPH和修 正 SPH计算结果,表明基于正则化修正的 SPH模型较未修正模型具有更好的精度,为 SPH方法在岩土体渐进式破坏 问题上的应用提供了重要的参考意义。 关键词:光滑粒子流体动力学;张力不稳定;水土耦合;正则化修正 中图分类号 :TU43 文献标识码 :A 文章编号:1000—4548(2018)02—0262—08 作 者 简 介 :张 卫 杰(1986一 ), 男 ,讲师 ,主要 从 事 岩 土工程 数值 模拟 等 方面 的 教 学和 科研 。E.mail: zhangwj2016@hhu.edu.ca。 Normalized correction of soil-water-coupled SPH model and its application ZHANG Wei-jie 一,GA0 Ylu.feng 一,HUANG yu3,MAEDA Kenichi (1.MOE Key Laboratory ofGeomechanics and Embankment Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Geotechnical Research Institute,College ofCivil and Tarnsportation Engineering,Hohai University,NaNing 210098,China;3.Department of Geotechnical Engineering,TonNi University,Shanghai 200098,China;4.Department ofCivil Engineering,Nagoya Institute of Technology,Nagoya 466 8555,Japan) Abstract:The smoothing approximation in the traditional smoothed partic

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