基于离散元法的活板门构型对粒状介质应力重分布与土拱效应影响研究

《Results in Engineering》：Trapdoor configuration effects on stress-redistribution and arching of granular media through DEM

本研究针对地下结构中应力重分布与表面不均匀沉降问题，通过离散元法（DEM）系统探究了不同活板门构型（对称/非对称、样本宽度/高度、边界条件）对土拱效应的影响。研究发现屈服区宽度是控制应力集中系数（α）的关键因素，非对称布局中较宽屈服侧主导土拱发展，而周期性边界会高估应力传递。研究为埋地结构在非理想条件下的稳定性设计提供了重要理论依据。

　　

随着城市化进程加速，地下空间开发利用日益频繁，地下结构物的稳定性成为岩土工程领域的核心议题。埋地管道、箱涵、隧道等结构在服役过程中，周围土体常发生不均匀沉降，引发应力重分布现象，即“土拱效应”。这一现象虽能通过力链重定向减轻软弱区荷载，但若设计不当，也可能导致结构局部应力集中、地表开裂等工程隐患。传统研究多基于对称理想条件，而实际工程中因地形限制、邻近结构影响等，埋地结构往往处于非对称受力状态，其土拱演化机制及应力传递规律尚不明确。

为揭示复杂边界下土拱效应的内在机制，研究团队采用离散元法（DEM）开展了系统的数值模拟研究，并结合实验数据验证模型可靠性。研究通过调控样本高度（H）、活板门宽度（B）、边界类型（周期性/固定边界）及构型对称性，量化分析了应力集中系数（α）与地表沉降的响应规律。论文发表于《Results in Engineering》，为非对称工况下埋地结构设计提供了理论支撑。

研究通过三维离散元模拟，采用赫兹-明德林接触模型，对比球形与簇状颗粒（模拟玻璃珠与丰浦砂）在多种活板门构型下的力学行为。样本宽度（L）设定为150–450 mm，覆盖比（H/B）范围为0.87–14.9，重点考察了对称/非对称布局中静态与移动活板门的宽度比例（如B′_L/B′_R）对土拱发展的影响。模拟中通过下移移动活板门（速率1×10^?4m/s）诱发土体沉降，监测应力重分布与表面变形。

样本宽度与高度效应

研究发现，土拱完全发展的临界高度取决于屈服区宽度。当H/B≥4.35时，对称构型中形成稳定土拱，地表沉降趋于均匀；而较宽的屈服区（如7–9板配置）需更高覆土（H/B≈10.2）才能实现完整拱效应。较小样本宽度（L=150 mm）的应力集中系数（α_peak）可达2.34，但其实际荷载分担效率（78%）低于宽样本（L=450 mm时效率82%），表明窄结构更易出现应力集中但承载力未充分激活。

颗粒形状影响

簇状颗粒因棱角性增强颗粒间咬合作用，其α_peak值显著高于球形颗粒。在H/B=4.35时，簇状颗粒的α_peak较球形颗粒高约20%，且能在更低覆土（H/B=2.15）下形成完整土拱，凸显颗粒形态对拱效应发展的关键作用。

静态活板门宽度变化

增大静态活板门宽度（B）可降低归一化应力峰值，但荷载分担效率提升。例如B从50 mm增至150 mm时，α_peak从2.34降至1.37，而效率由78%升至82%，说明宽结构更利于应力分散。

非对称构型与边界效应

非对称布局中，较宽屈服侧（B′_R）主导土拱发展，其所需临界H/B由该侧宽度决定。周期性边界会高估应力传递（α_peak可达8.89），而固定边界更贴近实际，如当不对称指数A_B=0.75时，固定边界下的α_peak（5.38）较周期性边界低39%。此外，固定边界下地表差异沉降指数（I_δ）可达0.64，远高于周期性边界（0.01），揭示边界条件对沉降均匀性的显著影响。

研究结论表明，土拱效应主要受屈服区几何形态控制，而非结构本身宽度。非对称工况中，设计应以较宽屈服侧确定最小覆土厚度，且数值模拟需采用固定边界以准确反映应力重分布。成果为埋地结构在非理想边界下的稳定性设计提供了量化依据，尤其对邻近边坡或异形基础工程具有重要指导意义。未来需进一步引入颗粒破碎、黏结等本构行为，拓展模型在复杂土体中的适用性。