砂土破碎本质的试验与模拟研究

Particle breakage is of fundamental importance to the mechanical behavior of sands. The source of particle breakage effects lies in the change made to the sand fabric during deformation process. Despite considerable research dedicated to the micromechanics of sands associated with particle breakage, the nature of particle breakage is not well understood. Particularly no linkage is established between the particle breakage behavior and the intrinsic particle microstructure. In view of the above deficiency, we propose an advanced investigation of the behavior of sand particle breakage using combined techniques of high-resolution nanofocus X-ray computed tomography (CT) and 3D discrete element modeling (DEM). The nanofocus Xray CT allows the visualization and characterization of the morphology and microstructure of sand particles during the particle fracture process. This information will be fully incorporated into the 3D DEM model of single sand particle fracture. Furthermore, a probabilistic approach will be employed to predict particle breakage inside a sand specimen in the element test.This innovative research will unravel the nature of sand particle breakage by establishing a linkage between the breakage behavior and particle microstructure.Furthermore, it will also establish a novel probability-based modeling approach for crushable sands.

颗粒破碎对砂土的力学行为具有重要的影响。颗粒破碎作用的根源在于砂土变形过程中引起的内部组构的变化。尽管在砂土颗粒破碎相关的微观力学方面已有大量的研究，颗粒破碎的本质并没有得到很好的理解，特别是缺乏对于颗粒破碎行为与颗粒内在微观结构之间的联系的认识。针对上述科学问题，拟进行一项前沿性研究，采用高分辨率纳米聚焦X射线扫描成像（CT）与三维离散单元法（DEM）相结合的技术研究砂土颗粒破碎行为。纳米聚焦X射线CT可以观察砂土颗粒在破碎过程中的形态和微观结构演变。观察到的信息将用于单个砂土颗粒破碎的三维离散元模拟。此外，将采用概率统计的方法来预测单元试验内部的颗粒破碎情况。这项创新性研究将通过建立破碎行为与颗粒微观结构之间的联系来揭示砂土颗粒破碎的本质，同时还将建立一个基于统计规律的模拟破碎性砂土的新方法。

颗粒破碎对砂土的力学行为至关重要，而颗粒形态在颗粒破碎中起着重要的作用。形态效应的来源在于颗粒尺度的几何联锁，它影响准静态变形过程中引起的颗粒集合体的运动和动力学特性。随着颗粒破碎变得明显，问题的复杂性进一步提高，使得颗粒形态本身的演变成为一个复杂的问题。尽管专注于可破碎砂的细观研究相当多的，但迄今为止，关于颗粒破碎和颗粒形态的内在关系，及其它们对于砂土的宏观力学性质的影响的认知非常缺乏。..鉴于上述缺陷，本项目将室内试验，理论研究和数值模拟相结合，应用于研究砂土颗粒形态、颗粒破碎，以及它们对于砂土的宏观剪切强度的影响。具体而言，室内实验研究使用纳米分辨率的X射线计算机断层扫描技术（CT）对砂土试样的单个颗粒的压缩和一维加载过程中的颗粒形态演化进行表征；而理论研究使用球谐函数分析方法（SHA），对从CT扫描中取得的真实砂颗粒形态进行重建，并引入到三维离散元模拟中。最后，数值模拟研究建立了基于概率理论的离散元模拟方法，用于模拟真实颗粒破碎行为。本项目充分利用和整合各项技术的优势，开展了一个破碎性砂土微观形态和微观力学的领域的新型尖端研究。..这一创新性研究揭示了颗粒形态与颗粒破碎之间的内在联系，以及它们与单颗粒压缩和一维压缩条件下颗粒宏观剪切强度之间的关系。已经创建了一种新的基于概率理论的离散元模拟方法，可以结合实际的砂粒形态和实际的颗粒破碎行为进行模拟研究。..这项研究所获得的成果产生了重大的科学和工程的影响。前者来自于对破碎性砂土微观形态和微观力学的科学认知的提升，以及对其他相关易碎颗粒材料的研究所作的贡献。后者主要体现在工程人员在可压碎砂土中更好更安全地设计和建造岩土结构物的能力。