颗粒材料各向异性力学行为及细宏观两尺度分析

以天然砂砾料以及人工堆石料等岩土颗粒材料为背景，基于离散颗粒模型及连续介质模型，并借鉴现有均匀化方法与多尺度技术，发展颗粒材料各向异性本构模型及细宏观多尺度方法，重点研究组构各向异性对颗粒材料的剪胀性、非共轴性以及渐进破坏等力学行为的影响。细观上基于离散颗粒模型研究颗粒材料组构各向异性的演化及其对宏观力学行为的影响；宏观上基于连续介质模型，考虑各向异性-剪涨性-非共轴特性，发展相应的颗粒材料各向异性本构模型，并应用有限单元法形成相应的数值方法；在细、宏研究基础上发展基于离散颗粒模型获取连续介质模型本构参数的两尺度模型及离散元-有限元两尺度数值求解系统。本项目对研究颗粒材料的基本力学模型及数值方法具有较强的理论价值，对解决岩土材料的工程应用问题又具有很好的应用前景。

以天然砂砾料及人工堆石料等岩土颗粒材料为背景，开展了颗粒材料各向异性及破坏等力学行为的宏细观数值调查。相应内容可归结为四个方面：（1）细观上基于离散颗粒模型调查了颗粒破碎、摩擦等因素对颗粒材料组构各向异性演化及宏观力学行为的影响，发现组构各向异性程度的演化曲线与应力-应变曲线具有相似性；基于不同初始各向异性颗粒材料样本，调查了颗粒材料塑性流动非共轴性；从颗粒运动学及动力学分析，给出了包含颗粒滚动的接触模型参数之间的联系。（2）在宏观连续介质模型框架下发展了基于Pietruszczak-Mroz途径的Cosserat连续体横观各向同性屈服准则及相应算法，数值调查结果显示了局部化模式及承载力与材料主轴及各向异性程度密切相关；发展了Cosserat非共轴流动准则及相应数值调查，发现非共轴流动对剪切带边缘的偶应力分布影响明显，并可促进应变局部化的发生；发展了与应变能相协调的横观各向同性岩土材料的破坏准则，该准则仅包含五个独立且物理力学意义清晰的参数。（3）基于离散颗粒模型-Cosserat连续体模型，发展了离散元-有限元两尺度数值求解系统，数值调查了表征元尺寸对宏观力学行为的影响及宏细观变形模式。（4）此外在本项目支持下开展了颗粒材料超弹性软化模型、亚塑性模型及扰动状态模型研究。本项目的研究结果可促进对各向异性颗粒材料力学行为的认识，为解决相应岩土材料工程应用问题积累一定的基础。