基金项目:陕西省自然科学基础研究计划基金资助(2018JQ5098)
第一作者:王 东(1982-),男,高级工程师,主要从事工程设计及计算研究.E-mail: 94794161@qq.com
(1. 山西省交通规划勘察设计院有限公司,山西 太原 030032; 2. 长安大学 公路学院,陕西 西安 710064)
(1.The Communications Planning Surveying and Designing Institute of Shanxi Province, Taiyuan 030012, China; 2. School of Highway,Chang'an University, Xi'an 710064, China)
the weak form quadrature element method; saturated soils; Biot's theory of dynamic consolidation
DOI: 10.15986/j.1006-7930.2020.02.010
弱形式求积元法是一种新型的高阶方法,已经在岩土及结构分析中取得了成功的应用,本文对该方法进行进一步的发展和完善,将其应用于饱和土动力固结分析.首先基于Biot饱和土波动理论框架,以孔隙水压力和土体骨架位移为基本控制变量,建立饱和土波动问题控制方程弱形式描述,然后应用Lobatto积分和微分求积法进行数值积分和数值微分并采用Newmark方法进行时域逐步积分,建立饱和土波动问题求积元法求解列式.通过数值算例验证了本文方法的正确性,显示了方法的计算效率.
The weak form quadrature element method is a novel high order algorithm applied successfully in structural and geotechnical engineering. In the present study, it is reformulated for dynamic consolidation analysis of saturated soils. Based on Biot's theory of dynamic consolidation, the pore pressure and soil displacement are chosen to be the control variables to establish the weak form governing equations. Then the Lobatto integration rule and the differential quadrature method are employed respectively to numerically integrate and differentiate the weak form governing equations, and the Newmark scheme is used for time integration. The established formulation is verified by numerical examples and its efficiency is highlighted.
固结问题求解是土力学中的一个经典课题,涉及到土体渗流和变形的耦合,在岩土工程中得到了广泛的应用.由于传统问题的复杂性,固结方程尤其是考虑惯性影响的动力固结方程的解析解一般无法得到,通常采用数值方法对其进行近似求解.常用的数值方法有有限单元法[1-2](Finite element method, FEM)、边界单元法[3-4]、无网格法[5]、有限差分法[6]和微分求积法[7-8]等.上述数值方法已经被应用于求解动力固结问题,而且取得了丰富的研究成果.然而,这些低阶方法仍然存在一些难以改善的缺陷:方法中使用的低阶线性插值使得波动周期被数值延长,幅值被数值衰减,数值方法得到的波速和实际波速具有较大差别,即所谓的数值弥散误差和数值耗散误差,并且误差会随着时间的积累不断增大,使得数值结果变得非常不可靠.
弱形式求积元法(Weak form quadrature element method,QEM)简称求积元法[9-14],是一种新型高阶算法,该方法结合了弱形式描述和微分求积法的特点,具有全域近似的性质,结果精度高,收敛速度快,能够大大减小问题计算规模.可以通过增加单元的阶次来提高结果的计算精度,无需重新划分网格,降低了前处理成本.计算结果具有很高的连续性,积分点与结点重合,结果的后处理也比较简单.求积元法首先对问题泛函进行数值积分,然后对结点导数进行微分求积近似,得到求解问题的代数方程.求积元法自提出以来,在结构以及岩土力学分析中取得了成功的应用,显示出了其独特的优势.本文对该方法进行进一步的发展和完善,将其应用于饱和土动力固结分析,可以有效克服动力问题求解中的数值弥散和数值耗散,大大提高数值方法的计算效率.首先基于Biot饱和土波动理论框架[15],以孔隙水压力和土体骨架位移为基本控制变量,建立饱和土波动问题控制方程弱形式描述,然后应用Lobatto积分和微分求积法进行数值积分和数值微分并采用Newmark方法进行时域逐步积分,建立饱和土波动问题求积元法求解列式.最后通过数值算例验证了本文方法的正确性,显示了方法的计算效率.
假定孔隙水压力pw以压为正,应力σ,应变ε以拉为正.Biot动力固结理论的基本方程为
其中:b为体力,α为比奥系数,Kw,Ks分别指的是孔隙流体和土体颗粒的体积压缩模量,n为孔隙率,u为土体骨架位移,w·w为孔隙流体流动的达西流速,L为微分算子,ρ为土体密度.引入有效应力原理:
σ=σ'-αmpw(3)
其中σ'为有效应力,辅助向量m在三维与平面应变条件下分别为m={1 1 1 0 0 0}T及m={1 1 0}T.广义达西定理为:
w·w=kw(-SymbolQC@pw+ρwb-ρwu¨)(4)
kw为渗透系数矩阵,ρw为孔隙流体密度.平衡方程的弱形式可以由虚功方程得到,即
∫ΩδuTρu¨dV+∫ΩδεTσ'dV
-∫ΩδεTαmpwdV=∫ΩδuTρbdV+∫ΓtδuTTdS(5)
其中,T为面力.同样,连续性方程的弱形式描述为
其中,w·wn为边界达西流速.
和常规有限元法不同,弱形式求积元法首先对弱形式平衡方程进行数值积分,然后针对积分后的方程进行数值微分,最终转换为线性代数方程组的形式进行求解.首先对(5)式进行数值积分:
∑Nξi=1∑Nηj=1∑Nζk=1WiWjWkδuTijkρu¨ijk|J|ijk+
∑Nξi=1∑Nηj=1∑Nζk=1WiWjWkδεTijkσ'ijk|J|ijk-
∑Nξi=1∑Nηj=1∑Nζk=1WiWjWkδεTijkαmpwijk|J|ijk
=∑Nξi=1∑Nηj=1∑Nζk=1WiWjWkδuTijk|J|ijkρbijk+
∑NSm=1∑Nm1i=1∑Nm2j=1WiWj|J^-|ijδuTijTij(7)
其中:Wi,Wj和Wk是积分权系数,Nξ,Nη和Nζ是单元坐标轴方向上的积分点个数, NS是指定面力边界条件的边界面个数,|J|和|J^-|是单元内和边界上的雅克比行列式.在弱形式求积元法中,通常采用Lobatto积分.然后引入如下变换:
δuTij=δdeTDqij,pwijk=Gijkpew
εijk=Bijkde,u<sub>ijk=DfTijkde(8)
其中Dqij,Gijk,Dfijk为相应的联系矩阵,de为单元结点位移矢量,pew为单元孔压矢量.B为应变矩阵,可由微分求积法得到,具体可参考【】.继续整理后得到
Meud¨e+Keude-Qewpew=Feu
Meu=∑Nξi=1∑Nηj=1∑Nζk=1WiWjWkDfijkρ|J|ijkDfTijk
Keu=∑Nξi=1∑Nηj=1∑Nζk=1WiWjWkBTijkEijkB<sub>ijk|J|ijk
Qew=∑Nξi=1∑Nηj=1∑Nζk=1WiWjWkBTijkαm|J|ijkGijk
Feu=∑Nξi=1∑Nηj=1∑Nζk=1WiWjWkδuTijk|J|ijkρbijk
+∑NSm=1∑Nm1i=1∑Nm2j=1WiWj|J^-|ijδuTijTij(9)
其中,Eijk为弹性矩阵.然后对流体连续性方程进行数值积分:
继续整理后可得:
Mewd¨e+QeTwd·e+Cewwp·ew+Hewwpew=Few
Mew=∑Nξi=1∑Nηj=1∑Nζk=1WiWjWk|J|ijkZijkTρwkwijkDfTijk
QeTw=∑Nξi=1∑Nηj=1∑Nζk=1WiWjWk|J|ijkGijkTαijkmTBijk
Ceww=∑Nξi=1∑Nηj=1∑Nζk=1WiWjWk|J|ijkGijkTcwijkGijk
Heww=∑Nξi=1∑Nηj=1∑Nζk=1WiWjWk|J|ijkZijkTkwijkZijk
Few=∑Nξi=1∑Nηj=1∑Nζk=1WiWjWk|J|ijkZijkTρwkwijkbijk-
∑NSm=1∑Nm1i=1∑Nm2j=1WiWj|J^-|ijDwijw·wnij(12)
在所有单元上对式(9)和(12)进行集成,可以得到总体控制方程为
Mud¨+Kud-Qwpww=Fuu
Mwd¨+QTwd·+Cwwp·
w+Hwwpww=Fw(13)
采用NEWMARK方法对时间项进行直接积分:
d¨n+1=a0(dn+1-dn)-a2d·n-a4d¨n
d·n+1=a1(dn+1-dn)-a3d·n-a5d¨n
p·n+1w=a1'(pn+1w-pnw)-a3'p·nw(14)
式中,上标表示时间步,其他参数为
其中,Δt=tn+1-tn,γ,β,θ为计算常数.积分后得到动力固结问题的迭代格式为
(a0Mu+Ku)dn+1-Qwpn+1w
=Fn+1u+a0Mudn+a2Muud·n+a4Muud¨n
(a0Mw+a1QTw)dn+1+(a1'Cww+Hww)pn+1w
=Fn+1w+(a0Mw+a1QTw)dn+(a2Mw+a3QTw)d·n
+(a4Mw+a5QTw)d¨n+a1'Cwwpnw+a3Cww'p·nw(16)
(16)式即为求解动力固结问题的迭代过程.给定初始和边界条件后即可得到固结过程中固体骨架位移和孔隙水压力的变化.
首先研究如图1所示的一维波动问题,简化起见,本算例不考虑孔隙水压力的影响,假定材料为单相固体材料.土体的底部完全约束,左右两侧约束水平方向位移,顶部受到均布正弦力的作用为MPa.
F0=100×sin(80πt)(17)
计算土体中波动传播过程.土体的弹性模量为10 MPa,泊松比为0.3.选用了10个均匀划分的求积元单元进行模拟,同时,为了与有限元结果对比,使用线性有限元单元计算该问题.图1所示为一维单相材料的条件下土体中点处竖向位移计算结果对比,其中求积元法中的n7表示竖向取7个积分点,依次类推.从对比中可以看到,在波动传播的早期,有限元与求积元的计算精度都比较高,随着时间的积累,有限元方法的计算误差逐渐增大,当时间为1 s时,求积元的计算效率要大大高于有限元方法,这就证明了求积元方法在计算波动问题时具有较高的计算效率.本文基于比奥饱和土波动理论框架,以孔隙水压力和土体骨架位移为基本控制变量,推导了饱和土波动问题控制方程弱形式描述; 应用Lobatto积分和微分求积法并采用Newmark方法进行时域逐步积分,建立了饱和土波动问题求积元法求解列式.最后,通过一维单相材料及饱和土中波动传播问题检验了本文算法的精确性和计算效率.数值结果表明,在波动问题求解的初期,有限元和求积元法均具有较高的计算精度,随着时间的演化,求积元法的计算效率要大大高于有限元法.