物点法在岩土工程中的应用

  1.1 前言

岩土工程灾害是由具有破坏性的自然因素地震、降雨、火山爆发等或人类工程活动山体开凿、建筑大坝、基坑开挖等引起的，造成人员伤亡和物质财富损毁的自然、社会现象或过程。我国是世界上岩土工程灾害最严重的国家之一，每年因岩土灾害造成的直接经济损失占自然灾害总损失的以上各种岩土工程灾害已经成为危及人们生存与社会发展的严重问题《同时也给岩土工程领域的工程与科研工作者提出了挑战。研究人员已经对土体流动（如滑坡、泥石流、基坑或地铁姆塌等）、土工结构（如防洪堤、路堤等）的滲流破坏、松散饱和土体液化等方面进行了广泛研究。物理模拟和数值模拟是了解此类问题破坏机理并预测其破坏模式的常用方法，而进行大尺度的模型试验及现场试验仍然是很困难的，需要耗费大量的人力物力。近年来，数值方法在分析岩土工程大变形问题方面已有了较大发展，但是由于现有数值方法的局限性，对岩土工程问题动态破坏演变过程的数值模拟还相对较少。目前，岩土工程的研究方向主要包括预测破坏机理、以合适的安全系数设计防护结构来抵抗外加荷载等。而研究结构破坏后的行为来降低灾害带来的损失也是非常重要的，例如，滑坡启动后的长距离滑动可能在途中产生更为严重的次生灾害，对此类问题采用数值模拟方法不仅能够了解其破坏机理、预测破坏荷载，对预测破坏后的演变行为也是很有帮助的。目前模拟结构破坏前的行为的数值分析方法巳经比较完善，但是由于受到理论模型和数值方法本身的限制，在模拟破坏后行为时仍然面临很多困难。传统的有限元方法在模拟大变形问题时网格会产生严重变形，对于饱和土体通常只是当作一种单一材料来处理，对于结构破坏后行为的模拟结果不甚理想。提出一种全祸合理论，能够用于模拟结构破坏整个发展过程的数值方法对研究岩土工程大变形问题很有帮助。

  在目前岩土工程问题分析理论中，大部分都是基于小变形假设，而在工程实际中常见的各种工程破坏现象，往往都是大变形甚至超大变形问题，小变形假设并不能够一直适用，这时就要釆用非线性的应变和位移关系，平衡方程也必须适应变形后的状态以考虑变形对平衡的影响。目前研究大变形问题主要有两大类方法：连续性方法和非连续性方法。前者是基于连续性理论，求解连续方程（质量守恒、动量守恒、能量守恒等）来确定运动形式，采用适当的本构模型或流变方程描述材料行为，连续性方法可以用来研究大尺度问题。很多数值方法都是基于连续性方法，如有限元方法（、有限差分法、无网格法（光滑粒子动力法、物质点法、有限质点法、无单元伽辽金法等）》不连续方法是基于颗粒之间的接触算法，并对每个离散的颗粒单独考虑，如离散元法（。由于离散元法需要对每个颗粒都进行单独模拟，计算量巨大，大尺度模型很少会采用离散元方法，并且，离散模型的建立需要选择合适的摩擦参量，而这些摩擦参量很难用常规试验方法获得。非连续性方法可以更加精确的模拟局部问题，如颗粒的侵烛作用等，而采用连续性方法较难实现。目前，连续性方法的首要难题是缺少一个合适的本构模型来模拟整个流动行为，本文主要釆用的是连续性方法。

 

  3、饱和多孔介质耦合物质点方法