利用耦合的CFD-DEM方法，考虑表面粗糙度对土-结构界面的水力-力学分析

《Powder Technology》：Hydro-mechanical analysis of soil-structure interfaces considering surface roughness using a coupled CFD-DEM approach

饱和土-结构界面剪切过程中孔隙压力演化与流体流动规律研究。通过CFD-DEM耦合模拟揭示界面剪切时孔隙压力峰值与最大剪切应力同步出现的现象，证实颗粒垂直运动是压力突升的主因。分析表明表面粗糙度增加会加剧孔隙压力上升，平均流速呈现先快速增大后趋于稳定的特征。

　　

王拓|吴梦梦|尹振宇

浙江工业大学土木工程学院，中国杭州310058

摘要

土壤与结构之间的界面剪切特性在控制岩土基础设施的力学稳定性方面起着关键作用。尽管现有的关于土-结构界面的研究主要集中在干燥条件下的力学行为，但实际上这些界面通常位于地下水位以下，此时土壤处于完全饱和状态。在这种饱和条件下，土-结构界面的行为尚未得到充分理解。本文研究了饱和颗粒土壤与结构表面之间的水力-力学行为，旨在揭示界面剪切过程中孔隙压力、流体流动和土壤变形的变化规律。通过将离散元方法（DEM）与计算流体动力学（CFD）相结合，模拟了一系列界面剪切试验。模拟结果表明，在剪切过程中会产生明显的流体压力峰值，该峰值与最大剪切应力相对应，可归因于土壤颗粒的垂直运动。平均流速在剪切初期迅速上升至峰值，随后逐渐降至稳定水平。此外，敏感性分析表明，表面粗糙度的增加会加剧流体压力的上升。

引言

土-结构相互作用显著影响着包括基础、加筋土结构和路堤在内的岩土系统的力学行为和稳定性[1]、[2]、[3]。岩土工程师必须充分了解土-结构界面的行为[4]、[5]。因此，许多研究人员在各种工程背景和条件下研究了土-结构界面[6]、[7]、[8]，探讨了土壤的物理和力学性质、结构表面的粗糙度、边界条件、正应力以及应力路径等因素的影响[9]、[10]、[11]、[12]。

关于土-结构界面的早期研究主要采用宏观方法，侧重于界面剪切抗力的量化及其相应的应力-应变响应[13]、[14]。Potyondy[15]指出，摩擦阻力低于土壤的抗剪强度。Clough和Duncan[16]提出，界面的应力-应变曲线可以用双曲线来近似描述。Uesugi和Kishida[17]研究了界面摩擦系数，并得出结构粗糙度、平均粒径（D50）和砂粒类型对其有显著影响的结论。Uesugi等人[18]指出，界面在摩擦阻力达到峰值时开始滑动，在此之前几乎没有滑动现象。Fakharian和Evgin[9]认为，最大剪切应力在循环开始后开始减小，且在前几个循环中的减小速率较高。Fleming等人[19]展示了粘土中土-结构界面试验期间的孔隙压力变化。

近年来，随着测试设备的发展，人们更加关注复杂加载条件下土-结构界面行为的微观机制[20]、[21]、[22]、[23]。Maghsoodi等人[24]得出结论，粘土-结构界面的抗剪强度随温度升高而增加。Alice等人[25]指出，砂-混凝土界面的行为不受温度影响，而通过提高温度可以增强粘土-混凝土界面的强度。Rui等人[26]研究了界面剪切试验中颗粒破碎的影响，并指出这是大剪切位移下界面摩擦角增加的主要原因。Tiwari和Al-Adhadh[27]揭示了相对密度对干砂和饱和砂静态界面摩擦阻力的影响，并得出结论：当压实状态从最松散变为最密实时，摩擦角会增加。

除了实验方法外，还提出了多种数值方法，并结合不同的界面模型来揭示界面剪切行为的力学机制[28]、[29]、[30]、[31]、[32]。Asadzadeh和Soroush[33]模拟了三种类型的直接简单剪切试验，并通过将模拟结果与实验观察结果进行比较来验证模型。Jing等人[34]利用DEM探讨了宏观行为与微观力学机制之间的关系，并讨论了标准化界面粗糙度和加载参数的影响。Wang和Yin[35]提出，颗粒破碎会导致土-结构界面的峰值抗剪强度降低，而残余强度保持不变。与实验相比，DEM模拟可以直接显示土-结构界面处的颗粒运动，从而从微观角度阐明宏观行为[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]。然而，尽管之前的研究使用DEM在各种条件下对土-结构界面进行了广泛研究[2]、[11]、[43]、[44]、[45]、[46]，但尚未充分研究饱和土-结构界面在剪切过程中水力特性（如孔隙压力和流体流动）的变化。由于水力特性会影响岩土材料的强度，并可能进一步引发岩土工程灾害[47]、[48]、[49]，因此工程师充分了解这些特性的变化具有重要意义。

本研究采用耦合CFD-DEM模型来研究饱和土试样在界面剪切试验过程中水力特性和界面剪切应力的变化。在整个模拟过程中，仔细监测并分析了试样的力学性能和流场特性，系统地检查了关键参数。本文的结构如下：第2节简要介绍了所使用的数值方法，即CFD-DEM耦合方案。第3节介绍了试验的耦合模型及相关模型参数。第4节分析了界面剪切试验的力学行为和流场的变化。第5节总结了本研究的主要发现。

节选内容

CFD-DEM耦合方法

在本研究中，采用CFD-DEM耦合方法来模拟界面剪切试验。首先在DEM中生成土壤样本模型，然后计算接触力、颗粒速度和颗粒位置，并将其传输到CFD软件[50]、[51]、[52]中。在CFD中，利用修正的Navier-Stokes方程和连续性方程计算流体速度和压力，据此计算并施加阻力到DEM中的颗粒上。

界面剪切试验的模型设置

使用开源CFD仿真软件OpenFOAM[62]和三维离散元软件PFC3D[63]来模拟界面剪切试验。

土壤的力学行为

图2展示了在不同正应力（100、300和500 kPa）下试样的剪切行为。同时展示了干燥界面的仿真结果以供参考。总体而言，成功再现了典型的界面剪切试验宏观行为。图2(a)显示了剪切应力与剪切距离之间的关系。所有四条曲线在剪切开始时都显示出明显的峰值剪切应力，之后土壤表现出

结论

本研究采用CFD-DEM耦合方法模拟了一系列饱和土-结构界面剪切试验，以研究试验过程中的力学和流体行为。首先简要介绍了耦合方法的原理，然后讨论了模型的生成和验证过程。接下来，模拟了不同正应力范围内的界面剪切试验，并详细讨论了仿真结果。此外，为了进一步评估表面

CRediT作者贡献声明

王拓：撰写——原始稿件、软件、资源、方法论、调查、正式分析、数据整理。吴梦梦：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金筹集。尹振宇：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。

未引用的参考文献

[15]

利益冲突声明

我们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52408394）、香港特别行政区研究资助委员会的一般研究基金（项目编号：PolyU 15227624）以及深部地下工程智能建造与健康运维国家重点实验室（项目编号：SDGZ2504）的支持。