2025年第63届朗金讲座获得者揭晓 (MPM)

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文章摘要

英国岩土工程协会BGA宣布，第63届朗金讲座将由加州大学伯克利分校的Kenichi Soga教授主讲，将于2025年3月在伦敦帝国理工学院举行。Soga教授是岩土工程领域的权威专家，专注于基础设施传感、基于性能的设计、维护和能源土工技术，与James K Mitchell合著了《Fundamentals of Soil Behavior, 3rd edition》。他的研究包括材料点法(MPM)的发展，这是一种用于模拟固体、液体和气体行为的数值技术，特别适合处理大变形和多相相互作用问题。Anura3D软件是基于MPM的岩土数值模拟软件，能够模拟多相材料和自由表面水，支持二维和三维模型，由Anura3D MPM研究社区开发。

1. 引言

2024年3月14日，英国岩土工程协会BGA (British Geotechnical Association)宣布，第63届朗金讲座【第62届 | 朗金讲座 (Rankine Lecture 1961-2024)】将由UC Berkeley的Kenichi Soga(曾我健一)教授主讲。讲座将于2025年3月在伦敦帝国理工学院 (Imperial College London)举行。

2. 简介

Kenichi Soga是加利福尼亚伯克利大学矿物工程学教授和伯克利智能基础设施中心主任，他的研究重点是基础设施传感、基于性能的设计、基础设施维护和能源土工技术，与已故的James K Mitchell教授合著了《Fundamentals of Soil Behavior, 3rd edition》一书【纪念岩土工程的先驱 James Mitchell (1930-2023) Part III: 土特性基础 [书]】。Kenichi Soga是Mitchell在UC Berkeley的最后一个博士研究生，毕业于1994年，他的博士论文题目为《Mechanical behavior and constitutive modelling of natural structured soils (自然结构土的力学行为和本构模拟)》，毕业后进入英国剑桥大学工作，2016年重新返回UC Berkeley，因“在地质力学和计算模拟以及地下基础设施模拟和监测方面的进步”，Dr. Soga于2023年入选美国国家工程院(NAE)。他最近十年来的主要研究方向之一是发展材料点法(MPM)。Kenichi Soga目前在GeotechSet中的出现次数为176次(3/15/2024)。

3. 论文

[1] (2014) Material point method for coupled hydromechanical problems.

本文介绍了一种新的材料点法(MPM)，用于解决受大变形影响的流体饱和土壤的耦合水力学问题。本文提出了一种基于 Biot 混合物理论的土-孔隙流体耦合 MPM 算法，用于解决包括地下水位位置随时间变化的水力机械相互作用问题。通过比较一维固结试验的模拟结果和相应的分析解法，检验了所提方法的准确性。对所提方法中使用的 MPM 参数进行了敏感性分析，以检验每个网格的颗粒数和网格大小对求解精度的影响。为了证明所提方法的能力，模拟了大规模渗流导致堤坝溃决的物理模型试验。堤坝模型在地下水位随时间变化时的行为与实验观测结果十分吻合。通过研究孔隙水压力以及模拟计算出的有效应力，讨论了渗流诱发溃坝的机理。

[2] (2015) Coupling of soil deformation and pore ﬂuid ﬂow using material point method.

本文介绍了基于材料点法（MPM）的数值程序的制定和实施，以解决饱和土中发生大变形的全耦合动态问题。该方法的关键之处在于它考虑了两组拉格朗日材料点来代表土骨架和孔隙水层。通过将结果与固结理论的一些分析解进行比较，检验了该方法的准确性。所开发的方法已被用于模拟河道堤坝的渐进式破坏，以说明其实际应用。数值结果表明，所提出的方法对发生快速破坏机制的大变形具有稳健性。

[3] (2016) Trends in large-deformation analysis of landslide mass movements with particular emphasis on the material point method.

传统的滑坡岩土工程分析包括破坏预测（即开始破坏）和设计能够安全承受所施加荷载的结构，这些分析所提供的有关破坏后行为的信息非常有限；现代数值方法能够模拟大质量运动，因此有机会利用这些方法来评估山体滑坡发生时造成灾难性破坏的风险。本文介绍了各种大变形分析方法，并讨论了这些方法在解决滑坡问题中的适用性。由于灾难性滑坡往往涉及渗流力，因此必须考虑土和孔隙流体的耦合行为。本文介绍了在大变形分析中使用材料点法(MPM)建立土-孔隙流体耦合模型的两种方法。每种方法都有一个模拟实例：一个是堤坝溃决模型，另一个是自然切坡溃决。在堤坝破坏案例中，MPM 模拟能够捕捉到复杂的崩塌机制，包括连续剪切带的发展，模拟还能预测在破坏传播和随后的固结阶段产生的超孔隙压力。模拟结果表明，土的膨胀特性以及几何形状的变化对破坏后的行为非常重要。在Selborne案例中，MPM 能够模拟脆性、超固结粘土的逐步破坏；MPM还捕捉到了沿破坏面的剪应力演变，模拟了孔隙压力的变化和破坏面的实际形状，强调了在 MPM 框架内精确模拟剪切带的重要性。

4. MPM

物质点法(MPM)是一种用于模拟固体、液体、气体和任何其他连续体材料行为的数值技术，它是模拟多相（固-液-气）相互作用的一种稳健的空间离散方法。在MPM中，一个连续体是由一些小的拉格朗日元素描述的，称为 "物质点"。这些物质点被背景网格包围，该网格仅用于计算梯度项，如变形梯度。与其他基于网格的方法，如有限元法(如Abaqus)、有限体积法(如FLAC3D)或有限差分法(如3DEC)不同，MPM不是基于网格的方法，而是被归类为无网格/无网格或基于连续体的粒子方法，其中的例子是平滑粒子流体力学(SPH)和过动力学(Peridynamics)。尽管有背景网格的存在，但MPM并没有遇到基于网格方法的缺点（如大变形纠结、平移误差等），这使它成为计算力学中一个有前途的强大工具。

MPM最初是由新墨西哥大学(University of New Mexico)的Deborah L.Sulsky教授、陈振教授和Howard L.Schreyer教授在1990年初提出的，是PIC {Particle-in-Cell}的方法的进一步扩展以及在计算固体动力学中的延伸。在这一初步发展之后，MPM在美国一些国家实验室以及新墨西哥大学、俄勒冈州立大学、犹他大学等和世界范围内都得到了进一步的发展。MPM已经在岩土边坡和隧道稳定性研究中得到了应用.

Anura3D是一个使用物质点法(MPM, Material Point Method)进行大变形和土-水-结构相互作用的岩土数值模拟软件。它由Anura3D MPM研究社区开发，该社区由来自欧洲和美国大学的一组研究人员以及一家独立研究机构组成。自2014年以来，他们共同研究物质点法在岩土工程问题中的应用，作为研究的结果，2021年4月30日发布了命名为Anura3D软件的源代码。

Anura3D软件采用基于多组物质点的动态显式MPM公式，能够模拟多相材料(干燥、饱和以及非饱和土)和自由表面水，当前版本支持二维和三维模型。固体和流体材料模型可通过UMAT接口集成其他材料模型，可以结合移动网格使用各种载荷和运动约束、初始和边界值条件。Anura3D使用Fortran语言编写，虽然开发者提供了源代码，但不提供编译后的执行文件，因此用户必须自己编译源代码【Anura3D的主要特性 | MPM应用论文】。

来源：计算岩土力学

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首次发布时间：2024-03-26