土的应力方向依赖性的宏细观关联与本构模拟研究

The stress directional dependence of soil, including the material direction (material anisotropy) and the stress direction (rotation of principal stress axis), is a hot and difficult issue which has been widely regarded at home and abroad but has not been solved yet. Applicants believe that the stress directional dependence of soil is the result of the interaction of the material direction (internal) and the stress direction (external). Therefore, the above two reasons should be taken into consideration and the method of micro-macro combination should be adopted in the constitutive modeling. The traditional constitutive modeling method, which is to modify the yield surface, flow rule and hardening law, is abandoned in this study. Instead, the micro-mechanism of the interaction of the material direction and the stress direction will be revealed through the indoor geotechnical test, microscopic image analysis and discrete element numerical simulation test. Then, the “Skeleton-Cell” physical model is constructed, and the equivalent stress tensor including the fabric tensor and the stress tensor could be extracted in order to reflect the material direction and the stress magnitude and direction synthetically and associate the meso-structure and the macro-mechanics reasonably. Finally, taking the equivalent stress tenor as a bridge, a general method of extending the existing isotropic failure criterion and constitutive model to stress directional dependence, named “Equivalent Stress Method”, can be put forward from the new perspective. To carry out the project can not only further enrich the modern soil mechanics, but also brings vitality to existing constitutive models of soil.

土的应力方向依赖性包含材料方向性（各向异性）与应力方向性（应力主轴偏转）两层含义，是已得到国内外广泛重视但仍没解决好的热点和难点课题。申请者认为土的方向依赖性是材料方向性（内因）和应力方向性（外因）共同作用的结果，本构模拟须加以综合考虑并走宏细观结合的道路。本项目拟摒弃传统的修正屈服面、流动法则与硬化定律的本构建模方法，首先通过室内土工试验、细观成像分析与离散元数值模拟试验，揭示土的材料方向性与应力方向性协同作用的细观机理；然后建立“骨架-胞体”物理模型，提取包含组构张量与应力张量的等效应力张量，以综合反映材料方向性和应力大小与方向，实现土的细观结构与宏观力学特性的合理关联；最后以等效应力张量作为宏细观关联的桥梁，从应力新角度提出对现有的各向同性破坏准则与本构模型进行“应力方向依赖性”改造的一般性方法——等效应力法。项目的开展既可进一步丰富现代土力学，又可使现有的土的本构模型焕发生机。

土的应力方向依赖性包含材料方向性（各向异性）与应力方向性（应力主轴偏转）两层含义，是已得到国内外广泛重视但仍没解决好的热点和难点课题。本项目首先研制了一种倾斜砂土空心圆柱试样制备装置，并开展了定轴剪切与双主应力轴旋转的砂土空心圆柱扭剪试验，结果表明砂土的应力路径、强度、应力-应变关系等力学特性均具有显著的应力方向依赖性。深入探讨了应力方向依赖性的数力机理，指出材料的方向性是材料的内在固有属性，应力的方向性是激活材料方向性的外在原因，土的应力方向依赖性是二者协同作用的结果。以组构张量反映材料的方向性、以应力张量反映应力的方向性并特别考虑了组构-应力的方向关系，定义了一个新的应力张量—等效应力张量，并给出了具体表达，可以综合地描述颗粒材料的各向异性水平、材料内部真实应力的大小以及组构-应力的方向关系，实现了土体细观结构与宏观力学特性的定量关联。以等效应力刻画骨架的真实应力，以现有本构模型刻画骨架的力学特性，在不额外修正材料基本力学规律的情况下，提出了对现有土的各向同性破坏准则与本构模型进行“方向化”改造的一般性方法—等效应力法。利用该方法，分别建立了考虑岩土材料各向异性与应力方向性的等效非线性模型与等效Lade破坏准则，模拟结果验证了模型与准则的合理性，表明“等效应力法”为研究岩土材料各向异性和应力方向依赖性提供了新的思路。对传统非共轴理论理论进行剖析，揭示了传统非共轴理论中定义的非共轴应力率是由多项正交分量所构成，将总的非共轴塑性变形视为每一分量诱发的塑性变形之和，从而建立了一种广义形式的非共轴理论。针对传统角点理论建立非共轴模型存在的理论缺陷，提出了一种改进的角点理论，并利用该理论分别建立了一个新的砂土非共轴模型和一个新的非共轴次加载面模型，对地基承载特性的模拟结果表明非共轴塑性的引入使得地基模型整体刚度下降，地基的最大沉降量增加，忽略非共轴塑性的影响可能导致工程设计偏于危险。