基于应变响应包络的颗粒材料增量力学行为研究

砂土的力学响应具有显著的增量非线性特征，这与离散颗粒的微观结构，即组构特性密不可分。采用应变响应包络可以较好地获得材料在不同加载方向上的增量力学响应。在物理试验中无法同时获得同一试样在不同加载方向下的宏、微观响应，故采用离散元方法，对具有不同应力历史、不同应力状态和不同级配的试样在Rendulic平面上的增量力学响应进行了系统研究和分析。离散元模拟结果表明，传统的塑性理论不能很好地描述具有复杂应力历史试样的增量力学响应，而基于颗粒间接触法向的组构增量与剪应变之间在多种不同的工况条件下均具有较强的线性相关性。当砂土的相对密实度相同时，该线性系数主要与围压的大小有关，对颗粒级配、应力历史以及应力比的变化均不敏感。由于组构的大小可以较好地量化砂土的内结构各向异性程度，进而表征应力历史的作用。上述模拟结果为在本构建模中引入组构演化机制，综合反映外荷载和内结构各向异性对砂土增量本构关系的影响提供了较好的微观物理依据。     

循环荷载下砂土液化特性颗粒流数值模拟

利用PFC2D常体积循环双轴试验条件,对砂土在不排水循环荷载作用下的液化特性进行了颗粒流数值模拟,数值模拟按等应力幅加荷方式进行。颗粒流数值模拟的优点在于得到试样液化宏观力学表现的同时,通过不同循环加荷时刻试样内细观组构参量（包括配位数、接触法向分布、粒间法向接触力、粒间切向接触力）的演化规律,分析砂土液化过程中细观组构变化与宏观力学响应之间的内在联系,从而可进一步探讨砂土液化的细观力学机制。数值模拟研究结果表明,砂土液化现象在宏观力学表现上反映为超静孔隙水压力的累积上升和平均有效主应力的不断减小,在细观组构上对应于配位数的累积损失和粒间接触力的不断减小。砂土液化细观机制分析表明,试样配位数的减少与循环加荷过程中组构各向异性滞后于应力各向异性有关。     

单调荷载下砂土变形过程数值模拟及细观机制研究

采用离散单元法的颗粒流理论,模拟了松砂和密砂在单调荷载作用下的变形过程,研究了砂土渐进破坏过程中的宏观力学行为和细观组构参量的演化规律。采用PFC的FISH语言开发了细观组构统计程序,通过记录加载不同时刻试样的细观参量,如配位数、接触法向分布、粒间法向接触力、切向接触力等的演化,分析了砂土变形过程中细观组构变化与宏观力学响应之间的内在联系。应用表征上述量的组构参数研究了砂土的诱发各向异性,探讨了松砂剪缩、密砂剪胀的细观机制。研究成果对于揭示砂土变形的细观机制以及建立砂土的细观力学模型具有重要意义。     

初始组构各向异性对砂土力学特性及临界状态的影响

采用离散元方法,利用半径扩展法和重力沉积法分别生成具有初始各向同性和各向异性内结构的试样,并开展三轴不排水压缩和拉伸试验,研究不同制样方法产生的初始各向异性对砂土宏微观力学特性及其临界状态的影响。运用组构张量对砂土的各向异性进行量化,分析不同初始组构各向异性对组构张量演化的影响并确定了组构张量的临界值。试验结果表明：初始组构各向异性对试样的剪胀性有重要影响,由于受重力影响形成初始各向异性,其各向异性程度越大、组构方向与加载方向越一致,剪胀性越显著;初始组构各向异性对试样的临界状态没有影响,砂土的组构张量具有唯一的临界状态值。     

人工胶结砂土力学特性的离散元模拟

采用离散单元法（DEM）对胶结砂土力学特性进行模拟。将基于室内试验测得的理想胶结颗粒接触力学响应引入到开发的二维离散元程序（NS2D）中,模拟胶结砂土颗粒间的胶结作用。对不同胶结强度和围压的胶结砂土进行平面应变双轴压缩试验模拟,并将模拟结果与Wang和Leung[1]提供的人工胶结砂土的试验结果进行比较。最后对数值模拟中胶结试样的微观力学响应（接触力链、胶结点破坏率和位移场）进行分析。结果表明,离散元数值模拟能够有效地反映胶结砂土的主要力学特性,相比同一初始孔隙比的无胶结松散砂土,胶结砂土将具有更高的强度,应力-应变关系呈应变软化,体变为先剪缩后剪胀,且两者的差异随胶结强度的增大和围压的减小而越趋显著。此外,胶结砂土宏观力学响应（应力-应变关系和剪胀性）与其微观力学响应密切相关。     

胶结颗粒接触力学特性测试装置研制

为验证天然结构性砂土离散元模拟中接触模型及其参数的合理性,设计了一套用于理想胶结颗粒成型及实现不同加载条件下接触力学特性测试装置。通过胶结颗粒成型装置在两大小相同的铝棒间形成具有特定几何尺寸的胶结物,随后,采用一系列辅助加载装置实现简单及复杂加载条件下胶结颗粒接触力学特性的测试。试验结果表明：该装置可用于胶结颗粒在不同加载条件下接触力学特性的测试,实测胶结颗粒接触力学响应与天然砂土离散元中接触模型基本相符,且其抗剪和抗扭强度均随着法向压力的增大而增大,在三维应力空间中胶结颗粒强度包线呈椭圆抛物面状。     

等幅剪应变下砂土循环单剪行为的离散元模拟

循环动载下土体变形呈现的复杂各向异性,本质上依赖于土体微观组构特征的演化。为了揭示非比例循环动载下土体变形的微观机制,采用离散元方法模拟砂土的循环单剪行为。应用等幅剪应变的往复加载实现循环单剪应力路径,模拟得到了砂土的循环弱化、剪胀性、非共轴性及微观组构的演化规律。微观模拟表明,在循环剪切过程,土体表现为循环弱化行为,并最终趋于塑性安定状态。而试样组构主方向倾角和组构各向异性系数也会不断增大直至一个稳定值,同时主应变率、主应力轴和组构主方向旋转角度会存在一定的差异,即非共轴现象,随着单调剪切的进行,三者会逐渐趋于一致。土体的剪胀行为表现为循环压密性,而非共轴性呈现逐渐增强的演化规律。循环剪切过程中微观组构的主方向与应力主方向逐渐趋于一致,而微观组构各向异性呈现减弱的演化趋势。     

各向异性结构性砂土离散元分析

天然沉积砂土力学特性受各向异性及结构性影响明显,实际工程中不能忽视。为探究二者的影响,首先在二维离散元程序NS2D中采用椭圆颗粒模拟了重力场中颗粒长轴主方向为水平的各向异性净砂样,随后基于结构性砂土胶结厚度分布规律及室内试验提出了一个新的微观胶结接触模型并将其引入各向异性净砂样以模拟天然各向异性结构性砂土,最后对该离散元试样进行了双轴试验模拟,将模拟结果与室内试验结果对比以验证该模型的适用性,并对其微观力学特性变化进行研 究。分析结果表明,随着剪切进行,各向异性结构性砂土呈明显应变软化及剪胀现象;胶结接触逐渐减少,且主方向始终为竖向方向;胶结破坏速率及胶结破坏率变化情况与宏观力学响应较一致,且胶结物多为拉剪破坏;土颗粒排列主方向始终为水平向,且水平向排列颗粒所占比例略微增大。     

基于微观力学的胶结岩土材料破损规律离散元模拟

采用离散元法（DEM）研究胶结岩土材料在不同加载条件下的结构破损规律。首先,基于微观力学理论,考虑胶结岩土材料颗粒间胶结特性,给出表征结构性损伤的破损参数式。该式具有微观物理意义,但不能直接用于建立宏观本构模型。其次,采用二维离散元源程序NS2D模拟等向压缩、等应力比压缩以及双轴压缩试验,分析破损参数在不同加载条件下随宏观力学变量（体积应变和剪应变）的演变规律。最后,根据模拟结果提出破损参数数学表达式,其为大主应变的函数。研究结果表明：胶结强度、应力比以及围压均在一定程度上影响了数值试样的结构破损规律。在等向压缩和等应力比压缩试验中,容易用函数式描述数值试样破损参数随体积应变或偏应变的演变规律;而在双轴压缩条件下,由于数值试样有剪胀特性,破损参数随体积应变的演变规律则不易描述。建议的破损参数数学表达式能够较好地描述数值试样在不同加载条件下结构破损规律。     

砂土正交组构幅值参量的定量分析

基于砂土细观组构描述理论,定义了新的正交各向异性幅值参量,用Toyoura砂细观试验做验证分析。非球形颗粒随机空间排列自然形成了砂土的正交各向异性,用两个独立变化的角度定量描述颗粒长轴在3个正交面上的方向分量,基于非球形颗粒随机排列的组构描述理论,分别定义了3个正交面上各向异性幅值参量的表达式。该表达式用数学概率统计的方法,将颗粒的离散特性转化为组构在平面上的可测参量,随着细观颗粒几何、物理特性的变化,3个表达式可以用于描述材料的各向同性、横观各向同性和正交各向异性。Toyoura砂细观试验分析表明,3个幅值参量能较好地反映3个正交面上幅值参量的变化规律,可为砂土细观组构的定量检测提供更为灵活的方法,而且3个各向异性都具有清晰物理意义。     

宏细观结合考虑主应力轴旋转的砂土破坏特性

采用宏细观结合各向异性破坏准则对主应力轴旋转条件下砂土的破坏特性进行分析。该准则是加载应力、组构各向异性程度和应力与组构几何关系3个因素的函数,可描述细观特性对任意应力旋转角度条件下破坏特性的影响。根据空心圆柱扭剪试验的特点推导一般正交坐标系下主应力轴旋转条件下的破坏关系式,考虑应力与砂土细观组构的几何关系,推导的关系式即可分析该条件下破坏特性。材料为各向异性时,主应力轴旋转造成破坏特性发生变化,细观各向异性程度越小变化越小;材料为各向同性时,则不会造成砂土破坏特性的变化。该式表明主应力轴旋转条件下不同破坏特性存在的根本原因是砂土各向异性的存在。采用空心圆柱试验结果进行验证,结果表明建立的关系式能较好描述不同应力加载角度条件下砂土的破坏特性。初步验证了由于砂土各向异性的存在使得主应力轴旋转造成了不同的破坏规律。     

各向异性对软土力学特性影响的离散元模拟

软土预压工程中,初始和诱发各向异性对软土力学性质的影响十分显著,而现有研究缺乏对初始和诱发各向异性的统一研究方法。采用离散单元法,以颗粒长宽比作为定量评价指标,构建真实形态的颗粒模型,生成5组不同沉积角的初始各向异性试样,并进行竖直和水平两方向加载的双轴模拟实验,研究了初始各向异性和诱发各向异性对软土力学特性影响;在细观层面,以颗粒为对象研究了颗粒接触形式和转动角度的变化规律,以接触为对象研究了配位数和接触法向各向异性的发展趋势,在此基础上探究抗剪强度指标与各向异性关系。结果表明:初始和诱发各向异性共同影响试样力学性质,当加载方向和软土沉积方向垂直时,土体有最大的峰值强度。颗粒接触形式中面面接触的比例随加载的进行逐渐增大,并影响着试样初始模量和抗剪强度,配位数和接触法向各向异性受颗粒接触形式的影响有不同的演化规律,并在加载后期趋于稳定;同时,初始各向异性试样相较各向同性试样有更大的黏聚力,诱发各向异性主要影响试样内摩擦角,进而影响试样抗剪强度。     

抗转动特性对颗粒材料分散性失稳的影响研究

对于岩土类的颗粒材料,在特定的应变加载路径下会发生非局部化的失稳现象,此时应力状态处于Mohr-Coulomb屈服面内,试样整体急剧失稳。采用颗粒离散元方法,研究抗转动特性对颗粒材料在等比例应变加载路径下宏、细观力学特性的影响。模拟发现,较为松散的试样更易发生分散性失稳,此时颗粒集合体的应力-应变状态满足Hill材料失稳准则。采用考虑颗粒转动的接触模型进行离散元模拟,通过改变颗粒间接触的转动摩擦系数,从宏观和细观层面分析等比例应变加载路径中颗粒材料的稳定性。颗粒抗转动能力的增强可以降低材料发生分散性失稳的可能性,随着转动摩擦系数的增加,应力路径由应变软化逐渐转为应变硬化,原本会发生分散性失稳的松散颗粒集合体表现出与密实颗粒集合体相似的宏观力学特性;颗粒集合体的内部结构表现出相应的细观作用机制,转动摩擦系数的增加有效地抑制了颗粒转动,虽然降低了颗粒体系的配位数,但增加了颗粒之间的接触力,增强了颗粒体系力链结构的稳定性和各向异性,形成稳定的结构持续抵抗外荷载的施加,从而试样整体不会形成松散的接触状态而失去稳定性。     

砂土应力诱发弹性波速各向异性的试验研究

针对砂土弹性模量的各向异性,利用安装在试样上的竖向和水平向弯曲元波速传感器,研究了不同应力状态下丰浦砂试样不同方向的压缩波（P波）和剪切波（S波）波速特征,确定了表征砂土纵观各向异性的弹性刚度矩阵,并探讨了砂土试样中波速各向异性程度随应力状态的演化规律。研究结果表明：在等向应力固结下,丰浦砂试样中不同方向的波速均与围压呈幂函数关系,且存在明显的初始各向异性,试样中沿水平向传播的波速小于沿竖直向传播的波速;在三轴压缩不等向应力固结下,沿竖向传播的弹性波速随竖向应力和水平向应力比值的增加而增加,沿水平向传播的弹性波速随应力比的增加先保持不变后衰减。随着应力比的增加,砂土试样中应力修正后波速的各向异性程度先变化不大后逐渐加剧,这一现象与砂土微观组构的演化有关。     

冻结砂土力学性质的离散元模拟

基于离散单元法颗粒流理论,土体颗粒单元间采用接触黏结模型中来考虑冻土中冰的胶结作用,建立了冻结砂土的颗粒流模型。通过改变计算模型中颗粒单元的参数,模拟了在不同冻结温度以及不同围压下冻结砂土的宏观力学性质,并与冻结砂土的室内试验结果进行了比较,结果表明：颗粒流方法可以较好地模拟冻结砂土的应力-应变关系以及剪切带的发展变化过程,颗粒流细观参数对温度具有显著的依赖性。研究结果对离散单元法在特殊土中的应用具有一定的理论和应用价值。     

单粒组密砂剪切带的直剪试验离散元数值分析

为分析砂土的剪切力学特性,采用离散元商业软件PFC2D对单粒组密砂在直剪试验中出现的剪切带进行了数值分析。改进传统的分条带观察方式,采用矩形格分割法观察试样内部不同区域的变形特性。对离散元商业软件进行了二次开发,实现了大小主应力及其应力主方向角的可视化,分析了试样内部的应力偏转情况。同时,以纯转动率和颗粒速度等微观变量为中心,观察了试样内部颗粒的运动状态,解析了直剪试验中砂土剪切带形成的微观机制。研究表明,直剪试验中应变局部化区域集中在剪切面附近的一个条带内。通过转动场和速度场的分析可知,剪切带宽度约为10～15倍的砂土平均粒径,带内颗粒转动明显,带边缘出现大的速度和转动变化梯度。对组构和接触力分布的分析可知,剪切过程中粒间接触点和接触力的主轴方向发生了相一致的偏转,偏转后的主轴方向为60°左右。     

考虑各向异性影响的冻土修正线性黏结接触模型开发及应用

针对冻土的各向异性特性,基于线性黏结接触模型,建立了能够反映冻土各向异性特性的修正线性黏结接触模型,并通过C++语言生成供颗粒流程序PFC3D调用的离散元本构子程序DLL。首先对单一接触进行了拉伸、直接剪切测试,通过对比数值与理论结果,验证了考虑各向异性影响的冻土修正线性黏结接触模型的正确性。此外,模拟了不同温度条件下的冻土三轴压缩试验,并与试验得到的应力-应变曲线进行对比,结果表明,所提出的修正线性黏结接触模型对冻土具有较好的适用性。基于标定后的模型细观参数,开展了一系列的三轴压缩离散元数值模拟,利用模拟结果探讨了虚拟弱面法向倾角对冻土的应力-应变曲线特征、强度及抗剪强度指标的影响,并分析了有效配位数、细观组构量的演化规律。研究结果可为冻土各向异性宏-细观力学特性提供数值基础。     

堆石料颗粒形状对堆积密度及强度影响的离散元分析

颗粒形状不仅反映颗粒的形成历史,更是影响堆石料物理力学性能的重要因素之一,值得深入研究。采用颗粒流程序PFC3D,根据实际颗粒形状建立不同球度的颗粒模型,并提出了数值试验中获取不同相对密实度试样的流程。讨论了球度对最大、最小孔隙比的影响,其结论与已有试验统计结果基本相符。分别以孔隙比和相对密实度为密度控制指标,对不同颗粒形状的试样进行等向固结和常规三轴试验,并分析了配位数、颗粒长轴各向异性、接触各向异性、结构各向异性等微观变量的变化规律。结果表明,当颗粒圆度较高且级配均匀时,球度对峰值摩擦角影响较小,主要影响残余摩擦角的大小。颗粒形状发生变化时,配位数影响试样强度但不起决定性作用,颗粒形状主要通过影响试样内接触以及接触力的各向异性程度来影响试样宏观表现。     

不同级配陷落柱充填体力学特征实验研究

为研究不同颗粒级配陷落柱充填物在不同固结荷载下的力学特性,基于土工固结试验制备不同状态下的相似模拟充填体试样,通过充填体在不同状态下的三轴加载实验、压汞及扫描电镜实验,研究了陷落柱充填体三轴应力状态下的力学特征及微观结构演化机制。结果表明：充填体具有明显的塑形特征,其应力-应变曲线可以划分为4个阶段：孔隙压密段、稳定变形段、变形破坏段和类蠕变阶段。充填体偏应力随Talbol指数n呈先增加后减小的趋势,充填体三轴抗压强度与Talbol指数之间符合二次多项式关系,均满足较高的拟合度并且偏应力强度达到最优的Talbol指数分别为0.71、0.65和0.64;偏应力随着固结荷载的增加而线性增加,增长率随着固结荷载和Talbol指数的增加呈逐渐减小的趋势。结合压汞和扫描电镜测试结果,固结荷载和Talbol指数的变化改变了颗粒间的接触状态,影响着岩土体试样的偏应力强度;随着Talbol指数的增加,充填体内颗粒间的相互作用增强,初始承受的外荷载比例增大,骨架结构效应更加显著,偏应力则主要来自岩土颗粒的接触应力集中。通过力学强度和微观结构特征研究在宏观和微观尺度上解释了充填体的颗粒级配效应提供参考。     

各向异性砂土渗流潜蚀流体动力学-离散元流固耦合分析

针对具有初始各向异性的间断级配砂土细粒潜蚀问题,引入可以考虑颗粒投影面积影响的Ganser拖曳力计算模型,实现非球形颗粒的计算流体动力学（computational fluid dynamics,简称CFD）和离散元（discrete element method,简称DEM）的双相耦合。通过与单颗粒下沉试验的对比,验证了该数值方法在解决异形颗粒与流体相互作用时的适用性。在此基础上,生成具有不同沉积方向和不同细粒含量的初始各向异性试样,模拟向上渗流潜蚀试验,并在试验中监测细粒流失量、强弱力链组成以及颗粒组构变化等宏微观特性,研究不同充填状态下（欠填充和过填充）不同组构各向异性土体渗流潜蚀特征。之后,对受潜蚀前后的试样进行了排水三轴试验,探究渗流对土体强度弱化的影响。结果表明,过填充试样质量损失随着颗粒沉积角度的增大而增大,而欠填充试样质量损失随沉积角度先增大后减小;欠填充试样细粒损失主要来源于低连通性细颗粒,而对于过填充试样,潜蚀则会导致低连通性和高连通性细颗粒数量同时减小。此外,三轴试验表明,潜蚀致土体峰值强度发生显著弱化,且峰值强度随沉积角度的变化也会受到土体充填状态的影响。