典型应力状态下颗粒土宏观力学行为的微观力学分析研究

非粘性颗粒土是自然界广泛存在的一种土体，颗粒之间相互作用的细观结构和微观力学决定着其强度、变形破坏等宏观力学行为。轴对称三轴压缩和直剪试验是岩土工程设计阶段获得强度等设计参数最常用的方法，而很多现场实际受力却往往是平面应变条件，这就造成获得设计参数的应力条件与现场实际相差较大，这是目前岩土工程界普遍存在的问题。本项目拟从宏观和细微观两个层面深入研究三轴压缩、平面应变及直剪三种典型应力状态下颗粒土的宏观力学行为和细微观力学特性，采用实验室X-射线CT扫描法和固化-切片-图像分析法，结合颗粒流（PFC）数值仿真等先进的研究手段，分析不同应力状态下试样的细微观结构，确定颗粒土微观结构的定量评价指标，建立试样微观力学特性和宏观力学参数之间的理论关系，进而揭示现场平面应变条件与实验室三轴压缩及直剪应力状态的相互关系。该研究对岩土工程设计具有现实指导意义，对颗粒土力学发展具有重要理论价值。

摘要：轴对称三轴压缩和直剪试验是岩土工程中获得强度等设计参数最常用的方法，但很多现场实际受力却往往是平面应变条件，造成获得设计参数的应力条件与现场实际相差较大，这是目前岩土工程界普遍存在的问题。对无粘性土，颗粒之间相互作用的细观结构和细观力学决定着其强度、变形破坏等宏观力学行为。本课题采用理论分析、室内试验和数值模拟相结合的方法，从宏观和细观两个层面深入研究了三轴压缩、平面应变及直剪三种典型应力状态下颗粒土的力学行为特性，从细观角度对土体的宏观行为进行了分析解释，研究内容主要有： .对试样的宏观力学行为特性进行分析，本课题对三种不同应力条件试样的强度和变形特性进行了分析，考虑了不同初始孔隙比和不同围压条件对试样力学行为的影响。分析了不同条件下试样的内摩擦角、膨胀角等重要力学参数的发展变化过程，特别是峰值强度和临界状态时不同应力条件及不同初始孔隙比和围压的影响。对根据轴对称三轴压缩和直剪试验计算得到平面应变试验的力学参数的准确性进行了分析，对实际工程设计具有指导意义。考虑到室内试验特别是细观分析的复杂繁琐，很多细观数据很难测量，本课题采用更符合砂性土特性的离散单元法，对不同应力条件下试样的室内试验进行了数值模型的开发与模拟。模型开发中的一个重要成果是对室内试验中树脂薄膜边界的模拟，由于薄膜边界对试样的强度变形等结果有重要影响，本研究采用堆叠墙的方法对平面应变试验和三轴压缩试验的薄膜边界进行了模拟，该方法既可以模拟试验中的固定围压，又可以准确捕捉试验边界处的变形，解决了以往数值方法中薄膜边界模拟的问题。结合室内试验和数值模拟的结果，对试样细观结构及细观力学进行了分析研究，从颗粒尺度，分析了试样在不同条件下受剪后试样内颗粒的转动和平移、试样内部局部孔隙比分布以及配位数等的变化及发展过程。试样的颗粒行为清楚揭示了不同应力条件下试样的强度及变形行为，解释了平面应变试验中局部剪切带的形成，对称三轴压缩试验中试样的鼓形变形及直剪试验中沿剪切面破坏的过程。采用切片数字图像分析方法，研究了试样内部颗粒的方位及其分布规律。利用数值模拟的方法，分析了室内试验很难测量的颗粒接触点信息，包括接触方位和接触点应力等，应用结构张量和应力张量等表示方法，计算颗粒内部接触点的受力，采用傅利叶级数拟合方法，对接触点力的分布、各向变异性大小和方向进行了分析，从而可以进行试样宏细观参数之间的关系研究。