基于离散单元法的散体材料桩复合地基变形及承载机理研究

With the rapid development of infrastructure constructions in China, numerous of unfavorable foundations are emerging in various constrictions, especially in highway and high-speed railway infrastructures. The composite ground technic which takes the granular material columns as main reinforced composites thus becomes a crucial method in foundation treatment. However, most research about deformation and bearing capacity of granular material column are carried with continuum theory based on the theory of macro-mechanics. The discreteness and the nonlinear characters in mechanics of granular material are hardly to be described under such hypothesis. To this point, this work tries to investigate the microscopic force chain changes, deformation and failure characteristics of granular material column using the granular material theory and corresponding methods. The deformation and bearing capacity mechanism of composite ground reinforced by granular columns is to be studied through three main parts: the macro-micro mechanical characters of granular material, experiments of granular material and numerical simulation using discrete element method. A more reliable description of deformation and bearing capacity mechanism of composite ground reinforced by granular columns should be presented by establishing the relations between macro-stress and contact force, macro-strain and displacement of discrete particles of granular material. The achievements of this work are able to enrich and develop the theory of composite ground, and also promote the application of granular material theory in various geotechnical engineering problems.

随着我国基础建设日益增多，在高速公路、铁路等交通基础建设中不免遇到大量不良地基，各种采用散体材料桩作为竖向增强形式的复合地基已成为地基处置技术中的重要手段。然而目前对于散体材料桩的理论研究大多基于连续介质理论，使用宏观力学的研究方法来建立散体材料桩变形和强度的模型，难以准确描述散体材料的离散性与力学非线性。对此，本研究项目结合散体材料颗粒细观结构与宏观力学特性，运用散体颗粒材料理论及研究方法对散体材料桩的细观力链传递、变形破坏规律进行研究，围绕散体材料结构宏细观力学特性、散体颗粒材料试验与离散材料数值模拟方法展开相关研究，并以此为基础深入研究散体材料桩复合地基的变形及承载机理。通过建立宏观应力与散体材料接触力、宏观应变与散体材料位移之间的关系，能更真实地反映散体材料桩复合地基变形失稳机理。该研究将丰富和发展散体材料桩复合地基理论及方法，并能推动散体材料研究方法在各类岩土工程中的相关应用。

在我国复合地基处治实践中广泛采用了散体材料桩进行地基改良及加固。然而目前对于散体材料桩的理论研究大多以经典连续介质力学为指导，使用宏观力学的研究方法来建立散体材料桩变形和强度的模型，难以准确描述散体材料的离散性与非线性力学特性。本项目结合散体材料颗粒层次的细观接触与宏观力学特性，运用散体颗粒材料理论、试验及数值研究方法研究散体材料桩的散体特性、变形破坏规律，研究散体材料桩与桩周土体之间的复杂相互作用。围绕散体材料形成结构的宏细观力学特性、散体颗粒材料试验与离散材料数值模拟方法展开相关研究，并以此为基础深入研究散体材料桩复合地基的变形及承载特性。.项目对不同级配的天然颗粒材料（砾石、碎石）为进行了天然休止角与颗粒形状、粒径分布以及颗粒摩擦接触的相关特性试验。进行了一系列包括侧限压缩试验、直接剪切试验、不同围压下的三轴压缩试验等力学特性试验。数值模型方面利用Voronoi随机生成方法将散体颗粒材料表示为一系列通过界面接触的离散凸多边形块体集合；建立了一种宏细观参数标定方法，能量化确定基于Voronoi块体的散体材料离散单元数值模型宏观弹性参数与其颗粒接触刚度之间的关系。并通过数值室内试验对接触强度参数进行了标定。利用前述散体颗粒离散单元数值模型研究了散体材料桩在不同边界不同土体条件下的变形失稳破坏全过程，数值模拟结果和室内模型试验实测的荷载-沉降曲线、桩体鼓胀变形吻合良好。根据数值研究揭示的结果，建立了散体材料桩的典型变形及失稳破坏模式，建立了筋箍散体材料桩在刚性基础下桩土应力比计算模型。这些研究成果有助于为散体材料桩复合地基变形及承载机理给予更科学的解释。