基于CFD-DEM方法的饱和砂土场地液化模拟研究

砂土液化是常见的地震灾害,目前应用于研究砂土液化动力特性的室内试验以及模型试验还不能全面反映土体液化全过程。计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)与离散元法(discrete element method,DEM)耦合模拟方法能够准确地模拟各类水土耦合问题。通过二次开发的CFD-DEM流固耦合模块实现离散元软件PFC3D与计算流体力学软件OpenFOAM之间的力学信息交互,利用颗粒水下自由沉降验证该方法的可行性。利用PFC3D软件模拟室内循环三轴试验标定出具有真实饱和砂土动力特性的数值砂样。根据已有的参数信息以及耦合模拟方法建立了饱和砂土的场地液化模型。模拟结果表明,离散元法能够复现室内砂土液化试验,标定参数可应用于场地液化模拟;单颗粒沉降速度与理论解一致验证了CFD-DEM耦合方法的准确性;峰值加速度0.25g下不同深度处土体均会发生液化,液化时超孔压比无法达到1,超孔压累计值由浅层往深层递增;液化后土体强度自下而上逐渐恢复,再固结的场地土体结构呈现均匀化发展趋势。

一种考虑流体状态方程的土体CFD-DEM耦合数值方法

在离散元(DEM)商业软件PFC2D的基础上,通过将描述流体体变–压力非线性关系的Tait状态方程(EOS)引入计算流体动力学(CFD),建立模拟弱可压缩流体的CFD-DEM耦合计算模块。首先,推导CFD-DEM的控制方程:包括流体–颗粒相互作用力方程、流体运动方程、Tait状态方程和颗粒运动方程。接着,通过PFC2D自定义FISH语言和C++语言将离散化的CFD-DEM控制方程嵌入商业软件PFC2D中。最后,通过单颗粒水下自由沉降运动和一维单面排水固结试验的模拟验证该耦合模块的可行性。模拟结果表明单颗粒自由沉降速度和Stokes理论解接近,一维单面排水固结试验中孔压消散和固结度随着无因次时间因数Tv的变化均与太沙基固结理论符合较好。从而使得用离散元法全耦合分析土体不排水条件下的力学特性成为可能。