Development of Numerical Method for Large Deformation of Soil Using Particle Method

In this study, a particle method without using grid was applied for analysing large deformation problems in soil flows instead of using ordinary finite element or finite difference methods. In the particle method, a continuum equation was discretized by various particle interaction models corresponding to differential operators such as gradient, divergence, and Laplacian. Soil behavior changes from solid to liquid state with increasing water content or external load. The Mohr-Coulomb failure criterion was incorporated into the particle method to analyze such three-dimensional soil behavior. The yielding and hardening behavior of soil before failure was analyzed by treating soil as a viscous liquid. First of all, a sand column test without confining pressure and strength was carried out and then a self-standing clay column test with cohesion was carried out. Large deformation from such column tests due to soil yielding or failure was used for verifying the developed particle method. The developed particle method was able to simulate the three-dimensional plastic deformation of soils due to yielding before failure and calculate the variation of normal and shear stresses both in sand and clay columns.

입자법을 이용한 토사의 대변형 해석법 개발

본 연구에서는 토사 유동과 같은 대변형 해석을 위해 기존 유한요소법이나 유한차분법과 달리 격자를 사용하지 않는 입자법을 사용하였으며, 입자법은 구배, 발산, 라플라시안과 같은 미분연산자에 대응하는 입자간 상호작용모델을 이용하여 연속체의 지배방정식을 이산화하였다. 외부 하중이나 함수비 증가에 따라 고체에서 유체 상태로 변하는 흙의 3차원 대변형 거동을 해석하기 위해 기존 입자법에 흙의 파괴상태를 고려할 수 있는 Mohr-Coulomb 파괴기준을 도입하였으며, 흙의 파괴 이전의 항복이나 경화현상으로 인한 대변형은 흙을 점성 유체로 가정하여 해석하였다. 개발된 입자법은 먼저 구속압이 작용하지 않고 강도가 0인 모래기둥 붕괴실험 결과를 이용하여 검증한 다음, 점착력을 가지고 자립이 가능한 점토기둥 붕괴실험을 실시하여 흙의 항복이나 파괴로 인한 대변형을 시뮬레이션하였다. 개발된 입자법은 모래와 점토의 3차원 대변형 거동을 유사하게 잘 예측하였으며, 파괴 이전에 발생하는 흙의 항복으로 인한 소성변형에 따른 흙기둥 내의 수직 및 전단응력 변화도 계산할 수 있었다.