[論文レビュー] Soil cracking modelling using the mesh-free SPH method

Ha H. Bui, Giang D. Nguyen+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Fluid Dynamics Simulations and Interactions参考文献 20被引用数 18

ひとこと要約

本稿では、土壌の収縮に起因するひびわれ形成をシミュレートするため、人工応力法を用いた3次元メッシュフリーな滑らかさ粒子法（SPH）手法を提案する。本手法は収縮に伴うひびわれの発生・発展・カール形状の挙動を的確に再現でき、土壌の厚さが増すにつれてひびわれ密度が低下することを示し、地盤工学的応用における手法の頑健性と正確性を裏付けた。

ABSTRACT

The presence of desiccation cracks in soils can significantly alter their mechanical and hydrological properties. In many circumstances, desiccation cracking in soils can cause significant damage to earthen or soil supported structures. For example, desiccation cracks can act as the preference path way for water flow, which can facilitate seepage flow causing internal erosion inside earth structures. Desiccation cracks can also trigger slope failures and landslides. Therefore, developing a computational procedure to predict desiccation cracking behaviour in soils is vital for dealing with key issues relevant to a range of applications in geotechnical and geo-environment engineering. In this paper, the smoothed particle hydrodynamics (SPH) method will be extended for the first time to simulate shrinkage-induced soil cracking. The main objective of this work is to examine the performance of the proposed numerical approach in simulating the strong discontinuity in material behaviour and to learn about the crack formation in soils, looking at the effects of soil thickness on the cracking patterns. Results show that the SPH is a promising numerical approach for simulating crack formation in soils

研究の動機と目的

• 乾燥収縮に起因する土壌ひびわれをシミュレートするメッシュフリーなSPHベースの数値モデルの開発を目的とする。
• 3次元シミュレーションにおけるSPHの引張不安定性問題を、人工応力法を用いて解決することを目的とする。
• 土壌の厚さがひびわれパターン形成に与える影響を調査することを目的とする。
• 実験的観察結果（ひびわれパターンおよびカール形状挙動）と比較してモデルを検証することを目的とする。
• 界面要素を用いず、メッシュ再構築なしに複雑な不連続挙動を捉えるSPHの能力を示すこと。

提案手法

• SPH法は、立方スプラインカーネル関数を用いた粒子離散化により、連続の式および運動量の式を解く。
• 単純な弾性破壊損傷モデルを適用し、引張応力下での材料の軟化およびひびわれ発生を模擬する。
• 3次元に拡張された人工応力項を導入し、引張応力下での物理的でない粒子凝集を防ぎ、SPHシミュレーションの安定化を図る。
• 弾性係数と5%の収縮率に基づき、体積ひずみに起因する応力を段階的に適用することで収縮変形を模擬する。
• 支持領域（h = 0.004–0.012 m）を変化させ、固定された粒子配置（64,000～192,000粒子）を用いる。
• 界面要素や再メッシュ化を必要とせず、損傷の進化と応力再分配を用いてひびわれパターンを追跡する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SPH法は乾燥収縮に起因する土壌のひびわれ形成を正確に再現できるか？
• RQ2 土壌の厚さは3次元的な収縮ひびわれの数や間隔にどのように影響するか？
• RQ3 3次元人工応力法は、破壊的材料のSPHシミュレーションにおける引張不安定性を効果的に抑制できるか？
• RQ4 SPHモデルは実験的ひびわれパターンおよびカール形状挙動をどれほど正確に再現できるか？
• RQ5 界面要素や再メッシュ化を必要としないため、FEM やメッシュ断片化法と比較してSPHが示す計算上の利点は何か？

主な発見

• SPHモデルは3次元乾燥試験で観察された実験的ひびわれパターン（土壌厚さが増すとひびわれ密度が低下）を的確に再現した。
• 体積収縮率が5%の場合、土壌の厚さが増すにつれて破壊的ひびわれの数が減少し、Peronら（2009年）およびRodriguezら（2007年）の実験データと整合的であった。
• 3次元人工応力法は物理的でない粒子凝集を効果的に防止し、3次元における引張破壊の安定シミュレーションを可能にした。
• モデルは土壌試料の縁部におけるカール変形を再現でき、Kodikaraら（2004年）およびPeronら（2009年）が報告した実験観察と一致した。
• 界面要素や再メッシュ化を不要とするため、SPHはFEM やメッシュ断片化法に比べて計算コストを低減できることを示した。
• 単純な損傷モデルを用いながらも、SPHフレームワークは複雑なひびわれパターンおよび機械的挙動を定性的に再現でき、今後の発展の可能性が示された。