南京大学陈霄颖：干湿循环条件下黏性土干缩裂隙演化离散元模拟
导读：大家好，我叫陈霄颖，2022级南京大学地质工程专业硕士生。在岩土工程领域，模拟土体的行为和物理过程对于工程设计和分析至关重要。MatDEM离散元软件是一种强大的数值模拟工具，在模拟多物理场耦合方面具备显著的优势，尤其适用于模拟非线性物理过程和土体内部微观行为。
9月16日（周六）19时，笔者受邀在仿真秀官网和APP带来《干湿循环条件下黏性土干缩裂隙演化离散元模拟》讲座，我将与大家介绍我与MatDEM软件的相识经历，建模分析裂隙发育案例，并分享一些经验和心得。
一、研究背景
全球气候变化带来了严重的极端气候事件，这些事件在地质体上产生广泛影响，引发了多种工程地质灾害。中国，作为受灾害最为严重的国家之一，面临着频繁的极端气候事件，如高温、暴雨、干旱等，这些事件不仅频率高、强度大，而且种类多，危害严重。不论是哪种形式的极端气候灾害，从工程地质角度来看，其本质都在于极端气候事件改变了地表岩土体的温度、结构、物质，尤其是水分分布，从而影响了岩土体的工程地质性质。
以干旱气候为例，持续的水分蒸发会导致土体中出现大量干缩裂隙，通常称为“龟裂”。这些龟裂显著降低了土体的强度、防水性和稳定性等工程性质，为地质灾害的发生创造了有利条件。对于土体的干缩开裂问题进行深入研究具有重要的现实意义。这不仅有助于我们更好地理解极端气候事件对地质体的影响，还可以为工程设计和应对灾害提供重要的参考和指导。
二、MatDEM离散元软件优势
在进行水力耦合开裂过程的数值模拟时，我首先面临了选择合适的数值模拟软件的挑战。常见的数值模拟方法包括有限元、离散元和边界元等，每种方法都有其优点和局限性。在面对复杂的非线性耦合过程时，我希望寻找一个能够准确模拟这些过程的较为理想的软件。我第一次接触MatDEM是在南京大学为地质工程专业的研究生开设的岩土工程数值模拟课程中。通过刘春老师的课程讲解、大学生慕课和仿真秀官网的MatDEM官方视频学习，我对MatDEM的强大功能有了更深入的了解。它不仅能够满足我的研究需求，还能够处理复杂的非线性问题，使我能够更准确地模拟水力耦合开裂过程，为我的研究提供了有力的工具和支持。三、基本原理
龟裂在本质上是土体发生张拉破坏的一种表现形式，必然是力学作用的结果。收缩空间和力学作用是土体产生龟裂的两个必要条件。在干燥过程中，含水量的减小会导致吸力的产生和土体收缩变形，而吸力或者土体收缩变形受到限制时会在土体中形成张拉应力场，当张拉应力的大小超过土体的抗拉强度时，裂隙便会产生。四、数据分析
在研究水力耦合开裂过程中，通过MatDEM软件进行数值模拟，我们观察到了一系列关键性的特征，这些现象不仅与实验结果相吻合，而且揭示了土体开裂过程的重要机理。初始开裂位置和裂隙演化： 在第一轮干湿循环的干燥过程中，裂隙首先在土体边缘出现，这与实验结果一致。这是因为模拟采用了边界隔水条件，使边缘土体的含水率降低，容易引发裂隙。模拟还显示了裂隙的级序演化过程，类似实验中观察到的“级序现象”。湿润和干湿循环： 在湿润过程中，土体颗粒膨胀，同时出现“浅坎”现象，即边缘裂隙填充。后续的干湿循环裂隙主要发展在“浅坎”位置，因为这些地方结构较松散，容易在干燥时发生破坏，导致裂隙发展。
水分场分析： 模拟结果显示，水分差异随着干湿循环轮次增加而明显增加，特别是“浅坎”位置。这表明裂隙处的水分迅速蒸发，含水率下降更快。
这些结论为水力耦合开裂过程提供了关键线索，MatDEM软件在模拟和分析地质现象方面具有强大的功能。后续研究可进一步探讨边界效应、能量转换过程和其他参数对开裂的影响。同时，使用Matlab的APP设计功能可以更直观地展示和分析模拟结果，提高研究效率。五、经验分享与心得体会
进行水力耦合开裂过程的数值模拟时，我积累了一些经验，希望能与大家分享。首先，慎思笃行，开拓创新，培养建模兴趣、提高学习效率至关重要。其次，选择适合自己研究方向的数值模拟软件，MatDEM是一个强大的工具，特别适用于岩土工程数值模拟研究。此外，合理规划学习时间，学习慕课和仿真秀的MatDEM官方教学视频，灵活运用工具，同时进行实际训练也至关重要。最后，建模过程中要有不断尝试和改进的精神，编写清晰简洁的代码，加上适当的注释，有助于他人理解和自己后续编辑，减少试错成本。这些经验可以帮助我们提高研究效率和准确性，祝愿大家在科研道路上取得更多的成就！9月16日（周六）)19时，笔者将在仿真秀官网和APP同步直播《干湿循环条件下黏性土干缩裂隙演化离散元模拟》，欢迎各位同学、老师和专家莅临指导和交流。以下是直播安排：
MatDEM奖学金（五）：干湿循环条件下黏性土干缩裂隙演化离散元模拟-仿真秀直播
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