砂土-结构接触界面细观动力学及离散-连续耦合数值分析技术研究

针对砂土-结构相互作用分析中的关键问题-接触面细观动力学特性开展研究，采用散粒介质力学与微细观机理分析方法，在室内接触面细观模型试验中引入先进的数码摄像可视化跟踪技术和数字信息计算机实时处理技术，开发基于数字图像的土-结构接触界面处土颗粒运动的计算机分析程序，研究砂土-结构接触面处非线性、大变形、局部不连续等力学特性。通过细观模型试验和离散元数值试验对接触界面处砂土颗粒运动进行定量描述，研究接触面结构材料表面物理特性、砂土细观组构对接触面力学行为的影响，分析接触面强度与剪切变形规律以及砂土颗粒旋转、破碎与应力剪胀之间关系，建立基于细观机理分析的接触面静-动微细观力学模型。研究接触面离散-连续耦合分析方法与数值计算技术，进行土-结构相互作用体系从连续到不连续过渡的多尺度计算分析，并将其应用到桩基础、地铁、地下管线、核电站等地下构筑物的土-结相互作用问题分析，为国民经济建设服务。

针对砂土-结构相互作用分析中的关键问题—接触界面微细观力学特性开展研究，采用室内试验、理论分析和数值模拟等方法，分析了接触带砂土颗粒运动的细观力学特征，建立了砂土-结构接触面本构模型，开发了砂土-结构接触带处离散-连续耦合数值分析技术。课题主要的研究工作和取得的相关成果包括：.(1) 进行了室内接触面剪切试验。研制了能够反映沉积各向异性的接触面剪切仪，开发了基于数字图像的接触界面砂土颗粒运动的计算分析程序。通过接触面直剪试验，研究了接触面表面物理特性、砂土沉积各向异性组构等对接触面力学性质的影响。.(2) 研究了接触带砂土散粒体的应力分布与强度特征。提出了砂土散粒体三类张量的概念，推导了其三维应力-组构关系。认为剪切带强度受控于“真应力”，表观活动摩擦角的变化实质是颗粒摩擦与各向异性组构共同作用的结果。并进一步分析了应力诱发各向异性和原生各向异性对接触面强度与变形的影响，建立了砂土各向异性强度准则。. (3) 砂土-结构接触带剪切破坏过程中微细观组构演化、颗粒破碎等的数值模拟。采用离散单元法模拟了接触带剪切破坏过程中微细观组构，特别是孔隙组构的发展变化规律。提出了剪切带砂土孔隙的双峰分布特征，以及力链、孔隙与剪胀性之间的相关关系。模拟了复杂荷载下土体应力路径与组构演化的发展规律，建立了应力比与组构比的定量关系。模拟结果对于理解接触带的强度特征、应力旋转与各向异性发展有重要意义。此外，通过6种典型颗粒形状的几何近似，研究了不同形状颗粒的破碎过程，提出了一种量化分析方法。.(4) 接触带力学模型建立。基于接触面破坏过程的细观机理分析，根据微观力学理论，通过积分粒间接触力为宏观的应力不变量，建立了剪切带本构模型，模型考虑了与材料状态相关的剪胀性和初始密度对应力-应变关系的影响，并采用了非相关联的流动法则。.(5) 接触面离散-连续耦合分析方法与数值计算技术研究。基于离散–连续耦合算法，通过耦合域的速度与力的传递，提出了土-结构相互作用体系从连续到不连续过渡的多尺度计算技术。.研究成果对于深入了解接触面破坏的微细观机理有一定的理论价值，建立的的接触面力学模型以及开发的离散-连续耦合分析技术对于分析砂土-结构相互作用系统由连续过渡到非连续的力学响应有一定意义。研究成果还可以用于如桩基础、地铁、核电站等地下工程构筑物的土-结构相互作用体系的静动力问题分析，为国民经济建设服务。