改进的SPH边界处理方法与土体大变形模拟

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(1.中交第二航务工程局有限公司，武汉 430040；2.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，北京 250073;3.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240)

1 引 言

人工堆积的尾矿坝和粉砂质边坡等土工构筑物极容易发生滑移失稳等灾害，往往会造成极大的人身和财产损失。准确模拟这类土体大变形问题，对工程设计和灾害防御具有重大意义。土力学中常见的数值模拟方法如FEM(有限元法)和DEM(离散元法)在求解这类问题时都存在缺陷。FEM常因网格束缚导致计算结果不准确；DEM则由于选取计算参数困难，较难得出精确的数值模拟结果[1]。光滑粒子流体动力学SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)方法是一种拉格朗日型无网格粒子方法，起初主要用于求解天体物理学问题[2,3]。SPH方法将问题域离散成有限个携带物质信息的粒子，每个粒子都在周围粒子影响下遵守守恒定律运动，十分适用于求解大变形问题。目前SPH已广泛应用于流体力学及固体力学等各个领域，成功模拟了爆炸、穿甲及溃坝等大变形问题。近年来，越来越多的学者开始应用SPH方法模拟土体大变形问题。Bui等[4]将SPH方法应用在土体大变形问题中，采用Drucker-Prager屈服模型，模拟了不同内摩擦角的土坡滑移现象。黄雨等[5]基于等效牛顿黏度系数的概念，采用Bingham模型描述土体大变形，模拟了土体流动。Chen等[6]将各向异性的Drucker-Prager模型与修正Kondner和Zelasko模型应用到SPH中，用以分析土体的非线性特性及边坡的动力反应和滑移特征。Wang等[7,8]基于混合物原理，建立了两相流模型，模拟了射流冲刷和水下滑坡问题。……