Page 14 - 2025年第56卷第2期

图 １３ 粒子间的相互作用及粒子的破碎模拟（基于 ＰｅｒｉＤＥＭ ［７３］ ）

近场动力学和光滑粒子流体动力学混合方法常用于求解土体的流固耦合问题 ［７５ － ７６］ 。在该方法中，
光滑粒子流体动力学被用于模拟流体流动，近场动力学被用于求解土体结构的破坏。现有的土体干缩
开裂模型中的水分流动多采用欧拉描述，虽然计算简单，却难以反映流固间的相互作用关系。光滑粒
子流体动力学往往基于拉格朗日描述求解 ＮＳ方程，能清晰刻画流固界面的相互运动。因此，该方法
为探索土体微观结构中的水流和气体在土孔隙中的迁移规律、揭示水流表面张力致使土体结构收缩和
破坏的作用机制提供了可能。
近年来，近场动力学和物质点法被结合用于分析土体的大变形开裂及破坏分析 ［７７］ 。一种自适应近

场动力学物质点法被提出 ［７８］ ，实现了损伤和破坏区域物质点粒子向近场动力学粒子的自适应转化，该
方法在模拟干燥条件下土体发生大卷曲和大变形致使土体开裂等现象上具有较大潜力。

５ 结论

本文主要综述无网格粒子类方法和混合数值模型在土体干缩开裂和卷曲领域的发展与应用情况，
展现了本团队基于近场动力学方法进行土体干缩开裂和卷曲问题分析的研究成果。相比较而言，无网
格粒子类方法中的 ＤＥＭ和 ＰＤ适合捕捉复杂的土体开裂行为，但需要消耗更多的计算时间和计算成
本。在混合数值模型中，ＦＤＥＭ已被发展用于土体干缩开裂问题，ＦＥＭ－ ＰＤ混合模型发展较为成熟，
主要用于水力压裂问题，ＰＤ － ＳＰＨ、ＰＤ － ＭＰＭ 等混合模型虽然尚未应用于土体干缩开裂和卷曲分析
中，但有助于揭示土体干缩开裂和卷曲过程中复杂的力学机制。
应该指出，土体干缩开裂和卷曲问题的数值建模和计算分析虽然取得了很大进展，但依然面临诸
多挑战。进一步的研究方向可以围绕以下几个方面进行：
（ １）构建热－ 水－ 化－ 力等多物理场耦合分析的数值模型。现有的土体干缩开裂数值模型还未考虑
温度及化学效应的影响。温度变化影响水分的蒸发及在土层中的扩散，同时也会导致土体变形；土体
中富含丰富的矿物质和大量微生物，因此涉及到复杂的化学反应，影响水分扩散、弯液面形成以及土
体强度。因此，构建热－ 水－ 化－ 力等多物理场耦合模型能更准确描述土体变形收缩和开裂的规律。
（ ２）引入土体弹塑性本构模型。土体具有明显的弹塑性特征，弹塑性本构模型能更好描述土体的
塑性变形特征以及加卸载过程中的硬化和软化规律。在网格类方法中，剑桥模型已被用于土体干缩开
裂问题的求解，当进行非饱和土的干缩开裂问题研究时，仍需进一步引入非饱和土的本构模型。在粒
子类方法中，常用的仍然是弹脆性模型，需要将弹塑性模型发展应用到粒子类方法中。
（３）建立土体干缩开裂问题的多尺度模型。在微细观尺度下，土体中的不同矿物质材料成分、土
壤颗粒的分布特征以及不规则骨料构架都会对宏观土壤的特性参数产生影响，土壤结构的固液气相的
组成、非均质性和各向异性等也影响着土体变形、裂纹萌生和演化过程。需要发展多尺度模型以反映
土体微细结构特征对宏观裂纹的影响。
（ ４）考虑土体性能参数的演化以及复杂的边界条件。土体的性能参数随着土体的变形、温度和水
分含量的变化而发生演变，且土体的水分蒸发与太阳辐射、湿度条件、植被覆盖、风速、温度等条件
密切相关。因此，需发展复杂边界条件下的水分蒸发模型，建立考虑水分含量变化和土体性能参数演
化的数值计算模型。

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