[论文解读] 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 18

一句话总结

本文提出一种基于人工应力方法的三维无网格光滑粒子流体动力学（SPH）方法，用于模拟土壤的干缩裂缝形成。该方法成功模拟了裂缝的起裂、扩展及卷曲行为，表明裂缝密度随土壤厚度增加而降低，验证了该方法在岩土工程应用中的鲁棒性与准确性。

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

研究动机与目标

• 开发一种基于无网格SPH的数值模型，用于模拟干缩引起的土壤裂缝形成。
• 通过人工应力方法解决SPH在三维模拟中出现的拉伸不稳定问题。
• 研究土壤厚度对裂缝模式形成的影响。
• 通过与实验观测的裂缝模式和卷曲行为对比，验证模型的准确性。
• 展示SPH在无需界面单元的情况下捕捉复杂不连续行为的能力。

提出的方法

• SPH方法采用三次样条核函数对粒子进行离散化，求解连续性方程和动量方程。
• 应用简单的弹性-断裂损伤模型，模拟在拉应力作用下的材料软化及裂缝起裂。
• 将人工应力项扩展至三维，以稳定SPH模拟，防止在拉伸状态下出现非物理的粒子聚集。
• 通过基于弹性模量和5%收缩率的体积应变诱导应力，逐步施加收缩变形。
• 模型采用固定粒子分布，粒子数在64,000至192,000之间，支持域大小为h = 0.004–0.012 m。
• 通过损伤演化和应力重分布追踪裂缝模式，无需使用界面单元或重新划分网格。

实验结果

研究问题

• RQ1 SPH方法能否准确模拟干缩引起的土壤中裂缝的形成？
• RQ2 土壤厚度如何影响三维中收缩裂缝的数量与间距？
• RQ3 三维人工应力方法能否有效抑制SPH模拟脆性材料时的拉伸不稳定性？
• RQ4 SPH模型在多大程度上能复现实验观测的裂缝模式和卷曲行为？
• RQ5 与FEM或网格碎片化等基于网格的方法相比，SPH在模拟土壤裂缝方面具有哪些计算优势？

主要发现

• SPH模型成功复现了三维干缩试验中观测到的实验裂缝模式，包括随土壤厚度增加而降低的裂缝密度。
• 在5%体积收缩条件下，随着土壤厚度增加，断裂裂缝数量减少，与Peron等人（2009）和Rodriguez等人（2007）的实验数据一致。
• 三维人工应力方法能有效防止非物理的粒子聚集，实现三维脆性材料拉伸破坏的稳定模拟。
• 模型成功捕捉到土壤样品边缘的卷曲变形，与Kodikara等人（2004）和Peron等人（2009）报告的实验观测相符。
• SPH通过消除对接口单元或重划分网格的需求，显著降低了计算成本，优于基于网格的方法。
• 尽管采用简单的损伤模型，SPH框架仍能定性复现复杂的裂缝模式和力学行为，表明其在未来具有强大的发展潜力。