揭示土壤行为数值模拟的复杂性
对土壤力学和行为的深入理解是岩土工程的基本支柱之一。许多现代岩土结构(包括建筑地基、水坝、桥梁和路堤)的稳定性和弹性都依赖于基于土壤特性精确测量的适当建模。
在过去的几十年里，计算能力的空前增长使土壤行为的数值模拟成为岩土工程中一个有吸引力的工具。数值模拟可以通过将土壤表示为一组相互作用的粒子来帮助研究人员了解各种条件下复杂的土壤行为。
此外，数值模拟可以帮助工程师设计、分析和优化岩土结构，在不考虑成本效益的情况下确保其长期安全。
然而，分析土壤力学的传统方法有时无法复制土壤的复杂性质。对于刚性状态的土壤尤其如此，其中颗粒堆积并互锁，从而产生固体材料的典型特征，例如强度和刚度。因此，迫切需要改进刚性状态下土壤的数值模拟，以补充我们目前对流体状态下土壤的理解。
在最近发表在《土木工程杂志》上的一项研究中，包括 Shinya Inazumi 教授在内的芝浦工业学院的一组研究人员着手应对这一挑战。
研究人员重点关注使用移动粒子半隐式(MSP)方法进行的数值模拟，该方法根据多种物理原理对一组相互作用的粒子的流体运动进行建模。他们的目标是利用 MSP 方法准确模拟土壤样品的无侧限压缩测试，准确反映宾厄姆流体双粘度模型所描述的土壤的双重性质。
“现有模型很难准确地表示处于刚性状态的土壤，传统的流体力学原理无法充分应用，”Inazumi 教授解释道。
为此，该团队通过反复试验逐步调整其数值模拟，以精确匹配在未受干扰的沙子和粘土样品上进行的压缩实验的结果。通过深入研究模拟过程的复杂性，该方法强调了颗粒间距离、初始时间间隔和塑性粘度等参数对模拟精度和计算成本的影响。
此外，他们还对影响宾厄姆流体双粘度模型的模拟参数(例如屈服强度和临界剪切应变)进行了全面的敏感性分析。
Inazumi 教授评论道：“以前的研究经常忽视不同土壤参数之间的相互关系及其对模拟精度的集体影响，显然需要一种更全面的方法，不仅可以提高模拟精度，还可以为未来的学习。”
这些分析得出的结论将有助于建立可靠的方法来模拟不同土壤类型的行为。反过来，这将导致岩土工程领域模拟精度的新标准，这将对许多实际应用产生直接影响。
“预测负载下土壤行为时的模拟精度更高，意味着工程师可以更好地了解土壤条件来设计结构;这不仅可以提高安全性，还可以通过最大限度地减少过度设计来提高成本效益，”Inazumi 教授评论道。
值得注意的是，通过模拟更好地了解土壤行为可以开发更好的灾害预防和风险缓解预测模型。此类模型对于地震和山体滑坡多发地区至关重要，在这些地区，正确的设计可以大大降低岩土结构发生灾难性破坏的风险。
此外，这项研究可能对环境工程、土地使用管理和城市规划产生显着影响。
“准确的土壤分析对于确定土地是否适合各种用途(无论是住宅、商业还是农业用途)至关重要。通过更精确地了解土壤的应力-应变特征，规划者和开发商可以做出更明智的决策，从而优化土地利用并减少对环境的影响。”Inazumi 教授说道。