沉桩过程三维离散—连续耦合数值模拟分析研究
发布时间：2021-08-06 06:51
基于离散-连续界面直接耦合法,依托空间网格搜索算法,借鉴双线性参数化方程法,建立预制桩沉桩过程PFC3D-FLAC3D离散-连续耦合数值模型,从宏、细观多尺度对沉桩过程进行了数值模拟分析。结果表明:沉桩过程对浅层土的影响比较大,顶部土体受沉桩影响的范围约（4～6）D;桩端周围土颗粒有明显的运动趋势,其运动趋势与梅耶霍夫滑动面相近;振动沉桩可以有效减小沉桩过程中的桩侧摩阻力,在一定情况下也可减小桩端阻力,但并非振动频率越高助沉效果越好。
【文章来源】：公路. 2019,64(04)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图３空间网格计算方法示意
其表示方法为：ｘ［Ｃ］ｉ＝Ｎｊ×ｘｊｉ（２）Ｎ１＝１４（１＋ξ）（１＋η）Ｎ２＝１４（１－ξ）（１＋η）Ｎ３＝１４（１－ξ）（１－η）Ｎ４＝１４（１＋ξ）（１－η）式中：ｘ［Ｃ］ｉ为边界网格上任意一点坐标；ｘｊｉ为接触界面网格节点坐标；Ｎｊ为接触界面形函数；ｊ＝１～４；ξ、η为映射自然坐标。颗粒球心位置与差分单元接触面空间向量示意图如图４所示。若同时满足式（３）和式（４），则颗粒与有限差分单元相接触。图４颗粒球心位置与差分单元接触面空间向量示意（ｃ１×ｃ２）·（ｃ１×ｇ）＞０（ｃ１×ｃ２）·（ｇ×ｃ１）＞｛０（３）ｇ·ｎｐ≤ｒ＋ｗ（４）式中：ｃ１、ｃ２分别为Ｎ点所在界面边界上的两个单位向量；ｇ为节点Ｎ到颗粒中心的向量；ｎｐ为差分单元边界面的单位法向量，ｎｐ＝（ｃ１×ｃ２）／‖ｃ１×ｃ２‖；ｒ为颗粒半径；ｗ为差分单元边界面外挠变形，ｗ＝ｍ·ｎｐ，当ｗ＜０时，ｗ＝０；ｍ为节点Ｎ指向其所在差分单元边界面对角节点的空间向量。至此，便完成了整个接触搜索。由搜索方法可知，该搜索能否减少计算时间的关键在于空间网格的尺寸是否合理：网格尺寸过大，通过全域搜索确定的颗粒过多，后续局域搜索时间较长；网格尺寸过小，在全域搜索阶段的判断时间会增加。根据经验，当空间网格颗粒数目为４～
Ｖｉ＝ｘ·［Ｄ］ｉ－ｘ·［Ｃ］ｋ＋ｅｉｊｋω［Ｄ］ｊ（ｘ［Ｃ］ｋ－ｘ［Ｄ］ｋ）（１１）ｘ·［Ｃ］ｉ＝∑Ｎｊｘ·ｊｉ（ｊ＝１，２，３，４）（１２）式中：Ｖ、Ｖｎ、Ｖｓ分别为颗粒和边界曲线的相对速度、相对法向速度、相对切向速度；ｘ·［Ｃ］为有限差分网格Ｃ点的速度，由网格节点速度求得；ｘ·［Ｄ］为颗粒球心Ｃ点的速度；ω［Ｄ］ｊ为颗粒转动角速度。图５球形颗粒与边界曲面相对速度示意综上，颗粒所受到有限差分网格作用的接触力为：Ｆｉ＝Ｆｎｉ＋Ｆｓｉ（１３）颗粒球心Ｄ与网格中心Ｃ点不重合时，颗粒球心受到网格的附加力矩为：Ｍ＝ｄ（Ｆｓ×ｎ）（１４）有限差分网格也会受到颗粒的反作用力，其可通过形函数等效到网格节点，即：Ｆｊｉ＝Ｎｊ·Ｆｉ（１５）１．４耦合计算时间步确定ＰＦＣ３Ｄ与ＦＬＡＣ３Ｄ求解过程中都具有时间步的概念，这是它们可以进行耦合计算的基础。在一个时步内，ＰＦＣ３Ｄ中颗粒受到的力是定值且颗粒速度不变，ＦＬＡＣ３Ｄ中单元体的应力、应变变化速率也是固定值。因此，如果时间步过大，时间步内颗粒或网格不平衡力就会很大，从而造成模型的非稳态现象，计算结果不易收敛；反之，若时步过小，计算量将会指数增加，计算时长不易控制。所以，选择合适的耦合计算时间步非常重要。根据前人研究经验，瑞利波法（Ｒａｙｌｅｉｇｈｗａｖｅ）［１６］
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于三维离散-连续耦合方法的堤防工程渗透变形数值模拟方法[J]. 倪小东,朱春明,王媛. 土木工程学报. 2015(S1)
[2]基于三维离散-连续耦合方法的分层介质中桩端刺入数值模拟[J]. 周健,黄金,张姣,郭建军,王连欣. 岩石力学与工程学报. 2012(12)
[3]高频振动沉桩的离散元模拟分析[J]. 乔卫国,杨麟,李大勇,吕言新,李睿,王立华. 西安科技大学学报. 2012(05)
[4]应力松弛作用对未固结砂岩等效弹性性质的影响[J]. 邓继新,韩德华. 吉林大学学报(地球科学版). 2011(01)
[5]基于颗粒单元接触的二维离散-连续耦合分析方法[J]. 周健,邓益兵,贾敏才,王家全. 岩土工程学报. 2010(10)
[6]静压桩在砂土沉桩过程中桩周土应力-位移场变化规律的颗粒流数值模拟[J]. 马哲,吴承霞,肖昭然. 建筑结构. 2009(09)
[7]基于有限差分与离散元耦合的支挡结构数值计算方法[J]. 张华,陆阳. 岩土工程学报. 2009(09)
[8]砂土振冲密实的细观颗粒流模拟[J]. 贾敏才,王磊,周健. 水利学报. 2009(04)
[9]高频液压振动锤沉桩的打入性状分析[J]. 陈福全,雷金山,汪金卫. 铁道科学与工程学报. 2009(01)
[10]基于元/网格动量传递的离散元与有限元耦合的时空多尺度算法[J]. 张锐,郑航,唐志平. 中国科学技术大学学报. 2008(11)
博士论文
[1]静压桩挤土效应及施工措施研究[D]. 罗战友.浙江大学 2004
本文编号：3325296
【文章来源】：公路. 2019,64(04)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图３空间网格计算方法示意
其表示方法为：ｘ［Ｃ］ｉ＝Ｎｊ×ｘｊｉ（２）Ｎ１＝１４（１＋ξ）（１＋η）Ｎ２＝１４（１－ξ）（１＋η）Ｎ３＝１４（１－ξ）（１－η）Ｎ４＝１４（１＋ξ）（１－η）式中：ｘ［Ｃ］ｉ为边界网格上任意一点坐标；ｘｊｉ为接触界面网格节点坐标；Ｎｊ为接触界面形函数；ｊ＝１～４；ξ、η为映射自然坐标。颗粒球心位置与差分单元接触面空间向量示意图如图４所示。若同时满足式（３）和式（４），则颗粒与有限差分单元相接触。图４颗粒球心位置与差分单元接触面空间向量示意（ｃ１×ｃ２）·（ｃ１×ｇ）＞０（ｃ１×ｃ２）·（ｇ×ｃ１）＞｛０（３）ｇ·ｎｐ≤ｒ＋ｗ（４）式中：ｃ１、ｃ２分别为Ｎ点所在界面边界上的两个单位向量；ｇ为节点Ｎ到颗粒中心的向量；ｎｐ为差分单元边界面的单位法向量，ｎｐ＝（ｃ１×ｃ２）／‖ｃ１×ｃ２‖；ｒ为颗粒半径；ｗ为差分单元边界面外挠变形，ｗ＝ｍ·ｎｐ，当ｗ＜０时，ｗ＝０；ｍ为节点Ｎ指向其所在差分单元边界面对角节点的空间向量。至此，便完成了整个接触搜索。由搜索方法可知，该搜索能否减少计算时间的关键在于空间网格的尺寸是否合理：网格尺寸过大，通过全域搜索确定的颗粒过多，后续局域搜索时间较长；网格尺寸过小，在全域搜索阶段的判断时间会增加。根据经验，当空间网格颗粒数目为４～
Ｖｉ＝ｘ·［Ｄ］ｉ－ｘ·［Ｃ］ｋ＋ｅｉｊｋω［Ｄ］ｊ（ｘ［Ｃ］ｋ－ｘ［Ｄ］ｋ）（１１）ｘ·［Ｃ］ｉ＝∑Ｎｊｘ·ｊｉ（ｊ＝１，２，３，４）（１２）式中：Ｖ、Ｖｎ、Ｖｓ分别为颗粒和边界曲线的相对速度、相对法向速度、相对切向速度；ｘ·［Ｃ］为有限差分网格Ｃ点的速度，由网格节点速度求得；ｘ·［Ｄ］为颗粒球心Ｃ点的速度；ω［Ｄ］ｊ为颗粒转动角速度。图５球形颗粒与边界曲面相对速度示意综上，颗粒所受到有限差分网格作用的接触力为：Ｆｉ＝Ｆｎｉ＋Ｆｓｉ（１３）颗粒球心Ｄ与网格中心Ｃ点不重合时，颗粒球心受到网格的附加力矩为：Ｍ＝ｄ（Ｆｓ×ｎ）（１４）有限差分网格也会受到颗粒的反作用力，其可通过形函数等效到网格节点，即：Ｆｊｉ＝Ｎｊ·Ｆｉ（１５）１．４耦合计算时间步确定ＰＦＣ３Ｄ与ＦＬＡＣ３Ｄ求解过程中都具有时间步的概念，这是它们可以进行耦合计算的基础。在一个时步内，ＰＦＣ３Ｄ中颗粒受到的力是定值且颗粒速度不变，ＦＬＡＣ３Ｄ中单元体的应力、应变变化速率也是固定值。因此，如果时间步过大，时间步内颗粒或网格不平衡力就会很大，从而造成模型的非稳态现象，计算结果不易收敛；反之，若时步过小，计算量将会指数增加，计算时长不易控制。所以，选择合适的耦合计算时间步非常重要。根据前人研究经验，瑞利波法（Ｒａｙｌｅｉｇｈｗａｖｅ）［１６］
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于三维离散-连续耦合方法的堤防工程渗透变形数值模拟方法[J]. 倪小东,朱春明,王媛. 土木工程学报. 2015(S1)
[2]基于三维离散-连续耦合方法的分层介质中桩端刺入数值模拟[J]. 周健,黄金,张姣,郭建军,王连欣. 岩石力学与工程学报. 2012(12)
[3]高频振动沉桩的离散元模拟分析[J]. 乔卫国,杨麟,李大勇,吕言新,李睿,王立华. 西安科技大学学报. 2012(05)
[4]应力松弛作用对未固结砂岩等效弹性性质的影响[J]. 邓继新,韩德华. 吉林大学学报(地球科学版). 2011(01)
[5]基于颗粒单元接触的二维离散-连续耦合分析方法[J]. 周健,邓益兵,贾敏才,王家全. 岩土工程学报. 2010(10)
[6]静压桩在砂土沉桩过程中桩周土应力-位移场变化规律的颗粒流数值模拟[J]. 马哲,吴承霞,肖昭然. 建筑结构. 2009(09)
[7]基于有限差分与离散元耦合的支挡结构数值计算方法[J]. 张华,陆阳. 岩土工程学报. 2009(09)
[8]砂土振冲密实的细观颗粒流模拟[J]. 贾敏才,王磊,周健. 水利学报. 2009(04)
[9]高频液压振动锤沉桩的打入性状分析[J]. 陈福全,雷金山,汪金卫. 铁道科学与工程学报. 2009(01)
[10]基于元/网格动量传递的离散元与有限元耦合的时空多尺度算法[J]. 张锐,郑航,唐志平. 中国科学技术大学学报. 2008(11)
博士论文
[1]静压桩挤土效应及施工措施研究[D]. 罗战友.浙江大学 2004
本文编号：3325296
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