【PFC】离散元FDM-DEM耦合分析

“离散元FDM-DEM耦合分析”

推文【PFC】离散元基本原理与自然堆积试验模拟与【PFC】离散元双轴试验模拟谈及了离散元的基本概念、堆积模拟及双轴试验模拟，本周推文将简述FDM-DEM耦合分析。

分析模型

与连续体法相比，离散元法可以更好的反应散体颗粒的流动情况。但单独使用离散元来模拟刚性桩复合地基，将导致颗粒单元数目巨大，计算时间过长。因此，拟利用FISH编写FDM-DEM耦合技术，利用FDM模拟桩和桩间土，采用DEM模拟褥垫层，通过Socket I/O通道实现FDM模型和DEM模型的数据传递。

试验模型采用文献中的广东省清远市PHC管桩复合地基，桩径为500mm，桩长为20m，桩距为1800mm，置换率m为0.061。褥垫层采用5-10mm粒径的碎石，厚度为100mm。根据地质勘查报告，将桩间土简化为3层：第1层为10m厚粉质粘土；第2层为10m厚的全风化页岩，第3层为2m厚的微风化石灰岩。建立耦合模型如图1所示。

图1 FDM-DEM耦合模型示意图

结果分析

将FDM-DEM耦合分析所得的荷载-沉降曲线和桩土应力比-荷载曲线与试验结果和文献连续介质分析结果进行对比，对比结果分别如图2所示。

图2 荷载-陈江及桩土应力比-荷载曲线

提取1200kPs下的褥垫层变形图和颗粒运动矢量图，如图3所示。由图3可知，在荷载作用下桩体已存在较明显的刺入现象；桩间土顶部的褥垫层颗粒运动明显于桩顶褥垫层颗粒，且桩体和桩间土交界处有大量褥垫层颗粒向桩间土运动，说明离散元颗粒可较好的模拟褥垫层散体材料，真实反应褥垫层的作用机理。

图3 褥垫层变形图即颗粒运动矢量图

性能影响因素分析

本推文仅给出褥垫层厚度及模量对桩土应力比的影响关系曲线。根据众多文献试验均可知：桩土应力比随着褥垫层厚度的增加而减小，桩土应力比随着褥垫层厚度的增加而增大。

对不同褥垫层厚度及不同褥垫层模量的FDM-DEM模型进行耦合分析，褥垫层厚度及模量对桩土应力比的影响如图4所示。

图4 褥垫层厚度及模量对桩土应力比的影响

由图4可知，桩土应力比随着褥垫层模量的增加而增加，两者基本呈线性关系；桩土应力比随着褥垫层厚度的增加而减小，当褥垫层厚度大于300mm时，曲线出现明显拐点，此时褥垫层厚度对桩土应力比的影响较弱。

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