概要:岩土工程破坏以及灾害往往伴随着大变形问题.近年来,随着计算机技术的快速发展,大变形数值模拟方法在岩土工程领域有了广泛应用,例如利用物质点法(MPM)或者光滑粒子流体动力学法(SPH)模拟边坡垮塌、软土地基中的基础沉降或失稳,利用耦合拉格朗日-欧拉法(CEL)分析隧道破坏对临近地下结构物的影响等.为此,本专辑收集了在该研究领域具有代表性的研究成果,介绍了岩土工程大变形模拟技术的进展和未来发展潜力,希望能帮助读者快速了解其应用现状,并为岩土工程的数字化发展提供科学依据和技术支撑.

关键词组：大变形;岩土工程;数值方法

目的:土体性质的空间变异性是其固有属性,虽然目前极限平衡法或有限元法结合随机场理论已经广泛地应用于可靠性分析土质边坡的稳定性,然而这些数值方法本身具有一定的局限性,难以模拟边坡的大变形破坏,因此可能低估边坡失稳的风险.此外,土体中的抗剪强度参数,即粘聚力和摩擦角通常具有互相关性,而之前的大变形研究忽略了这个性质.因此,本文旨在利用随机物质点法,考虑粘聚力与摩擦角的空间变异性和互相关性,对边坡的失稳概率及失稳后特征进行分析,从而定量地评估边坡潜在的失稳风险.
创新点:1. 通过在均质土坡中的分析,揭示了网格大小、强度折减形状因子和残余强度对物质点法模拟中边坡安全系数及失稳后特征的影响;2. 基于蒙特卡洛模拟,明确了粘聚力与摩擦角的互相关性对边坡失稳概率以及失稳后特征的影响,从而定量地评估了边坡失稳的潜在风险; 3.对比分析了随机物质点法与随机有限元法在模拟边坡失稳变形中的差异.
方法:1. 通过物质点法确定性地分析网格大小、强度折减形状因子和残余强度对均质土坡模拟结果的影响;2. 使用随机物质点法,评估不同粘聚力与摩擦角互相关系数下边坡的失稳概率、失稳后特征以及相应的失稳风险;3. 比较分析随机物质点法与随机有限元法在边坡失稳变形模拟中的差异.
结论:1. 在随机物质点法模拟中,边坡的失稳概率随粘聚力与摩擦角互相关系数的增大而显著增大,而边坡失稳后特征随互相关系数的增大而略微增大(5%~10%).2. 当使用摩尔库伦应变软化模型时,物质点法会面临网格依赖性问题;网格越密,计算的边坡安全系数与失稳特征均趋向收敛,但相应的计算时间显著增大;考虑到计算的效率与准确性,对于本文案例,0.5 m大小的网格较优.3. 当网格大小一定时,强度折减形状因子和残余强度会影响物质点法的计算结果;在本案例中,相较于残余粘聚力,残余摩擦角对边坡的失稳后特征影响更大.4. 随机物质点法与随机有限元法所计算出的边坡失稳概率相近,说明两种方法均适用于模拟边坡失稳中的小变形,同时也说明0.4 m的位移失稳准则在物质点法计算中可替代传统的安全系数来判断边坡失稳的发生.5. 需要注意的是随机有限元法可能严重地低估边坡的失稳风险;这主要是因为当网格发生畸变时,随机有限元法将会终止计算,从而无法模拟边坡的大变形破坏;对于随机物质点法,其可以有效地模拟边坡失稳的全过程.

关键词组：物质点法;空间变异性;随机场;大变形;风险评估

目的:在材料高速冲击结构物的过程中引起的应力波往往在材料中向边界逐渐传播,并在传统固定或自由边界处反射回材料内部,造成结构物附件的应力场和接触力数值的扰动.本文旨在在物质点法模拟中实现吸收边界的应用,在模型边界处吸收材料中的应力波,减少其反射及其对中心区域的干扰.
创新点:1. 对不同条件处的边界分别采用黏壶和阻尼层的吸收边界,优化边界处应力波的吸收效果;2. 建立物质点法分析模型,对吸收边界的效果进行量化评估.
方法:1. 在边界网格节点上采用黏壶吸收边界,并通过数学推导,确定不同时刻对节点处速度的调整量,以实现对应力波的充分吸收;2. 在距离边界一定距离的厚度内,设置阻尼层,对材料瞬态速度进行一定程度的调整,使其达到所需的稳态值,即对应力波完成吸收;3. 采用物质点法建立一维压缩、海底滑坡冲击管线和管线贯入模型,对吸收边界的使用效果进行评估,并对两种吸收边界的使用场景进行分析.
结论:1. 黏壶吸收边界通过对波动方程的推导,使其在自由边界处的使用更加灵活;2. 阻尼层吸收边界需要在计算区域外侧设置一定厚度的阻尼层,且阻尼值不宜过大;3. 在一定条件下,两种吸收边界组合使用可以优化对应力波的吸收.

关键词组：物质点法;吸收边界;海底滑坡;冲击

目的:采用数值模拟方法研究涉及大变形的土柱坍塌过程.
创新点:基于临界状态的高级本构框架,利用光滑粒子流体动力学(SPH)方法模拟土柱坍塌过程,并同时研究颗粒形状对坍塌的影响.
方法: 采用数值仿真和离散元的方法.
结论:本文提出的SIMSAND-SPH方法在模拟涉及大变形问题的土柱坍塌过程方面具有很高的效率和计算精度,可为实际工程问题提供参考依据.

关键词组：颗粒材料;SPH;大变形;临界状态;坍塌

目的:针对国内外发生的多起因一条盾构隧道破坏导致邻近隧道受损甚至坍塌的事故,探讨不同工况下破坏隧道对邻近隧道结构的影响,研究两隧道连锁破坏机理,为实际工程中提高隧道抗连锁破坏能力提供设计参考.
创新点:1. 利用耦合的欧拉拉格朗日法成功模拟了隧道破坏时土体的变形过程;2. 定义了能在一定程度上定量描述隧道接头安全程度的指标.
方法:1. 通过数值模拟,研究在不同双隧道位置关系中不同隧道的破坏位置与破坏模式下,受影响隧道接头进入不安全状态的顺序(图8~10)与程度(图12~14);2. 通过统计分析,研究不同双隧道位置关系下受影响隧道接头进入不安全状态的平均概率和最小安全系数,并分析不同双隧道位置关系下破坏隧道剪切带的发展规律.
结论:1. 受影响隧道接头进入不安全状态的顺序在很大程度上取决于两隧道的相对位置关系,与破坏隧道的破坏位置与破坏模式关系较小;2. 对于重叠与斜叠隧道,上线隧道发生破坏对下线隧道的影响小于下线隧道破坏对上线隧道的影响;3. 当两隧道斜叠排布且下线隧道发生破坏时,因为上线的受影响隧道部分处于破坏隧道的剪切带上,土体变形梯度较大,所以受影响隧道较为危险.

关键词组：近距离双线隧道;连锁破坏;欧拉拉格朗日法

目的:物质点法由于其不受网格畸变影响等特点被广泛应用于大变形问题的模拟,然而在使用物质点法模拟涉及不可压缩材料或不排水条件的问题时往往出现体积锁定现象而影响计算结果.同时,物质点法在计算过程中产生的网格穿透会造成应力震荡.为解决上述问题,本文在隐式广义插值物质点法的基础上,通过引入B-bar方法来解决体积锁定问题,提出使用B-bar方法的隐式广义插值物质点法.
创新点:首次提出在隐式广义插值物质点法中引入B-bar函数,以克服广义插值物质点法在模拟不可压缩材料时出现的体积锁定问题.
方法:1. 通过替换应变矩阵,构建使用B-bar方法的隐式广义插值物质点法,使其在不明显增加计算复杂程度的情况下,克服体积锁定的问题.2. 分别使用隐式物质点法(iMPM)、隐式广义插值物质点法(iGIMP)和使用B-bar方法的隐式广义插值物质点法对一维杆压缩、弹塑性边坡和刚性基础贯入进行数值模拟和对比研究,验证所提方法在减少网格穿透以及克服体积锁定方面的优势.
结论:1. 本文首次将B-bar方法引入隐式广义插值物质点算法,构造了使用B-bar方法的隐式广义插值物质点法;该方法能够有效减少网格穿透造成的计算误差并克服体积锁定问题,同时不需明显增加计算复杂程度.2. 分别使用iMPM算法与iGIMP算法对一维杆压缩以及弹塑性边坡稳定性进行模拟和对比的结果表明,iGIMP算法能有效减小网格穿透所造成的震荡.3. 对边坡稳定性问题以及刚性基础贯入问题进行数值模拟的结果表明,使用B-bar方法的隐式广义插值物质点法能有效处理体积锁定问题,因此可用于实际岩土工程的大变形分析.

关键词组：物质点法;大变形;广义插值物质点法;体积锁定;网格穿透;B-bar

目的:钢筋混凝土结构中,钢筋锈蚀会产生2~6倍于自身的锈蚀产物,对周围混凝土产生压力进而导致混凝土开裂.因此研究钢筋混凝土结构锈胀开裂对提升其耐久性具有重要意义.本文旨在研究钢筋混凝土锈胀开裂过程,并探究均匀锈蚀下不同因素对锈胀裂缝形态和保护层脱落模式的影响.
创新点:1. 采用更接近实际的带肋钢筋;2. 考虑骨料与砂浆间界面过渡区(ITZ)的力学行为;3. 提出一种基于椭球体生成的单个不规则十二面体骨料及相应骨料库的生成、投放思路,并在此基础上对ABAQUS进行二次开发,构建一种基于已划分网格的直接生成三维实体的细观模型建立方法.
方法:1. 通过ABAQUS的二次开发建立骨料库的生成及投放方法;2. 通过ABAQUS的二次开发,采用Cohesive单元模拟ITZ的力学行为;3. 通过上述方法构建单根及多根钢筋情况下的锈胀开裂模型;4. 通过不同钢筋横截面布置方式及保护层厚度的多组工况的仿真模拟,分析单根钢筋及多根钢筋情况下布置方式及保护层厚度对锈胀裂缝形态的影响.
结论:1. 匀性锈胀下混凝土裂缝呈下方稍短的"十"字形分布.2. 锈蚀率较小时,ITZ不发生破坏;随着锈蚀率的增大,ITZ以拉伸破坏为主的单元占比出现先上升、后下降、再上升、最后趋于稳定的现象.3. 单根钢筋情况下,保护层越大,ITZ开始产生破坏对应的锈蚀率越大;钢筋布置形式对ITZ破坏模式影响较小.4. 多根钢筋情况下,钢筋间距较小时混凝土保护层发生层裂破坏,间距较大时发生楔形剥落.

关键词组：钢筋锈蚀;三维细观模型;内聚力模型;界面过渡区;破坏模式