粉砂-结构界面的剪切特性及多尺度本构关系

The Investigation of mechanical properties of soil-structure interface is a fundamental study for the interaction between soil and structures. Soil is an aggregate of particles. The soil-structure interface shearing is accompanied with particle slip, rotation, dislocation and other microscopic characteristics during the shearing process, which is the fundamental reason of the macro shearing properties of soil-structure interface. Existing macro interface models, which are based on the theory of continuum mechanics, are unable to effectively describe the nature of soil-structure interface shearing mechanism. This project aims to investigate the multi-scale constitutive modeling of silty sand-structure interface with the use of micro-mechanics approach. Based on the theory of contact mechanics, the average micro-mechanical relationship, i.e. the normal and tangential force-displacement relationship between soil particles and between soil particle - structure can be defined in a representative volume unit. The macro stress-strain relationship of silty sand-structure interface can be established by integrating all directions of the contact stiffness of the representative interface unit in the micro coordinate. Then the multi-scale constitutive relationships of silty sand- smooth/rough structure interface can be obtained. A series of interface direct shear tests between silty sand–structure will be conducted, taking into account different gradations of soil particles, initial dry density, roughness degree of the structure surface, etc., to investigate the shearing behavior of silty sand-structure interface. The new multi-scale constitutive relationships can be validated by comparing with the experimental results. Parametric analysis will be further performed to study the effect of micro parameters on the shearing characteristics of silty sand-structure interface.

研究土-结构接触面的力学特性是解决土与结构物相互作用问题的基础性研究。土体是散粒体材料，土-结构界面剪切过程伴随的颗粒滑移、转动、错位等微观现象是界面宏观剪切特性的根本原因。基于连续体理论的宏观模型本质上无法有效地从物理角度描述土-结构界面的力学和变形机制。本项目拟采用微观力学方法研究粉砂-结构界面剪切特性。在代表性单元内定义土颗粒间及土颗粒-结构接触面平均微观力学关系，即局部坐标下法向及切向力-位移关系。通过宏观坐标系下代表性单元内所有接触面方向的统计，积分得到界面宏观应力-应变关系，构建粉砂-光滑及粗糙界面多尺度本构关系。进行一系列粉砂-结构界面的排水剪切试验，考虑粉砂不同粒径范围，不同密实度，界面不同粗糙度等因素，研究粉砂-结构界面的剪切特性。界面剪切试验结果与多尺度本构关系模拟结果比较，验证模型的有效性和准确性。通过参数分析深入探讨微观参数对粉砂-结构界面的剪切特性的影响。

挡土墙、桩基础、土钉、锚杆、土工织物等地下结构物被广泛应用于岩土工程中。地下结构的设计与地上结构有着本质的不同。除了考虑地下结构物本身的强度，设计中更多的需要考虑如何合理利用地下基础或结构物有效的将上部结构的静、动荷载传递到土体当中，并保证土体不发生失稳破坏，沉降在允许范围之内。基于改研究背景，主要研究内容：（1）进行一系列粉砂-结构界面室内剪切试验，考虑粉砂不同粒径范围、界面光滑及不同粗糙度、不同法向应力条件等因素，通过试验结果分析粉砂-结构界面的宏观剪切特性，及上述因素对其宏观剪切特性的影响；（2）进行一系列粉砂-结构界面数值剪切试验，考虑粉砂不同密实度、界面光滑及不同粗糙度、不同颗粒形状条件等因素，通过试验结果分析粉砂-结构界面的微观剪切特性，及上述因素对其微观剪切特性的影响；（3）基于宏观尺度与微观尺度分析，通过统计物理学方法，将代表性单元内各方向接触刚度进行积分，在宏观尺度力和位移的平衡条件下，得到界面宏观应力-应变关系。对表面粗糙的结构面，选取适合的微观参数有效描述界面粗糙度，进一步构建的粉砂-光滑界面多尺度本构关系，构建粉砂-粗糙界面多尺度本构关系。.主要研究成果：（1）不同剪切条件下的土与结构界面的宏观剪切特性响应；（2）剪切带演变及其厚度的科学确定方法；（3）内部微观结构演变（组构，配位数等）及其与宏观特性的关系；（4）建粉砂-粗糙界面多尺度本构关系。研究土-结构界面的剪切特性和本构关系有助于提高工程分析及设计的有效性，保证地下结构的整体安全性。