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粘湿土壤离散元动态仿真模型研究

张锐;李建桥

  离散单元法作为一种离散颗粒集合体的高度非线性数字化动态仿真方法,使用简单的方程就可以对高度复杂系统的准静态和动态行为进行模拟。作为多相混合体的土壤本身即是典型的离散结构,离散单元法是一种分析土壤发生巨大非连续变形的理想方法。粘湿土壤是耕地和施工中经常遇到的土壤类型,粘湿土壤内部的水分以及土壤颗粒之间的粘附性对于粘湿土壤的力学作用和动态行为都有重要影响。传统的离散元力学模型过于简单,没有充分考虑粘湿土壤的这些特殊性质,因而难以准确分析粘湿土壤的力学行为。粘湿土壤的水分含量介于干性土壤和饱和土壤之间,水在粘湿土壤中的分布很不均匀,以不连续的形式存在。这些不连续的水或者被颗粒吸收,或者在土壤颗粒之间形成液桥,从而产生液桥力。土壤颗粒之间的液桥力用液体表面张力和作用在液桥最窄部分的压力差之和来计算。根据拉普拉斯方程可以求得两颗粒之间的临界断裂距离。当两颗粒之间的距离大于临界断裂距离,液桥就会被破坏,液桥力消失,因此可以把临界断裂距离作为判断液桥稳定存在的标准。粘粒的大量存在以及土壤水分的作用,使粘湿土壤颗粒之间形成很强的粘附力。根据润滑理论,液桥的动态形成和断裂造成了阻止颗粒运动的粘附力。在粘湿土壤中,由于土壤颗粒之间液桥力和粘附力的存在,需要修正传统离散元模型的法向力和切向力计算公式,即将土壤颗粒之间的液桥力和粘附力加到相应颗粒接触力的计算公式中。从而建立了符合粘湿土壤性质的土壤离散元仿真模型,为准确模拟粘湿土壤的动态行为奠定了坚实的基础。……