循环荷载下饱和砂土结构变化的微观试验和离散单元模拟

It is abundantly recorded in laboratory tests that the stress-strain behaviour of saturated sand is complex and depends on multiple factors. However, the associated mechanism accounting for this complexity remains unclear. This study uses µ-CT techniques to capture the structural features of sand, including particle orientation, contact normal direction and void space distribution at different characteristic loading instants. Meanwhile, the discrete element method (DEM) is used to investigate the structural evolution and the force transmission mechanism for numerical assemblies with different initial states under different loading conditions. By comparing the micro test data and DEM modelling results, the structural characteristics of sand at different failure patterns are revealed, the macro- and micro-mechanical responses are bridged and the mechanism underlying the complex sand behaviour under cyclic loading condition is clarified. The outcomes of this study can not only greatly enhance current knowledge of sand behaviour subjected to cyclic loading, but also provide solid evidence and theoretical fundamentals for the development of constitutive models incorporating the structural evolution. Therefore, this study will have great impact on both theoretical development and practical engineering.

室内试验表明循环荷载下饱和砂土的应力变形特性复杂受多种因素影响，相关力学机理尚未明确。本研究采用µ-CT扫描成像技术捕捉循环加载特征时刻砂土颗粒排列、接触方向以及空隙分布等结构特征，同时开展离散单元数值模拟研究循环加载过程中砂土结构特性以及传力机制的演变。通过对比微观试验和离散单元模拟结果揭示循环荷载下不同初始条件的饱和砂土在不同应力路径下的结构演化规律，明确不同破坏模式下砂土的微观结构特征，建立循环荷载下微观结构变化与宏观力学特性的联系，从而阐明循环荷载下砂土复杂力学行为的内在机理。研究成果不仅能丰富和完善当前对循环荷载作用下砂土力学行为的了解，同时也为考虑结构变化的宏微观土体本构模型的建立提供了理论基础和事实依据，因而本项目具有重要的理论和实际应用价值。

循环荷载下饱和砂土的应力变形特性受多种因素影响，有关砂土液化宏观力学行为及其影响因素的研究已较为广泛，然而对于循环加载下砂土微观结构的特征、演化规律及其与宏观力学特性之间的联系尚未有较好的认识。本项研究采用 μ-CT 扫描成像技术对循环加载砂土在特征状态下（如瞬时液化、循环应力峰值等）的微观结构特性进行分析；同时开展不排水循环加载离散单元数值模拟，进一步揭示在不排水循环加载全过程中饱和砂土的结构变化；通过建立微观结构变化与宏观力学特性之间的内在联系，阐述在循环荷载作用下砂土不同破坏模式和变形特征的内在机理。取得的主要研究成果包括：.1）首先推导了考虑颗粒自锁效应的抵抗转动接触模型及其临界计算时步。该模型由不规则颗粒相互接触自锁时需满足的接触条件和力学平衡方程严格推导而来，真实反映了砂土颗粒间的接触机制，相比传统的法向和切向接触模型仅增加了一个表征颗粒表面凸起剪切强度的强度参数以及一个表征颗粒表面起伏度的形状参数，两个参数均具有明确的物理含义且可通过颗粒接触试验获得。此外，还首次推导了引入抵抗转动接触模型后，保证离散单元模拟稳定性所需的临界计算时步；.2）在1）的基础上建立了饱和砂土不排水循环三轴试验伺服模拟器，开展了饱和砂土不排水循环三轴试验的离散单元模拟，研究了不同孔隙比、不同循环偏应力幅值对饱和砂土液化特性的影响，获得了循环荷载下砂土发生流动液化、循环流动下砂土微观结构的特征和力学稳定性的渐进性演变规律，建立了砂土静态和动态液化的统一判别标准；.3）引入了物理学中描述颗粒材料流相和固相演变的阻塞相变理论，对循环荷载下力链形态、结构和传力机制的动态演化进行了定量化描述，初步建立了循环荷载下饱和砂土液化的阻塞相变判别方法。.上述研究成果丰富了当前对循环荷载作用下砂土力学行为本质的认识，同时也可为考虑微观结构变化的宏微观土体本构模型的建立提供理论基础和事实依据，具有一定的理论意义和实用价值。