各向异性粒状材料细观变形机制研究

以砂土等各向异性粒状材料为对象，基于实际砂土三轴试验，采用理想材料双轴压缩与直剪试验，结合离散单元法等数值方法，模拟粒状材料在定向剪切与应力主轴旋转等条件下的力学响应，从宏观与细观两个角度探讨粒状材料强度与变形的各向异性规律，揭示粒状材料的组构演化规律与变形机理，建立能较好描述实际砂土各向异性力学行为的本构模型。拟以管状金属棒堆积形成理想二维粒状材料，开发基于数字图像的颗粒识别与运动跟踪技术，以颗粒长轴与接触法线方向的统计分布与空间分布为状态变量，以颗粒之间的滑移与滚动作为运动变量，通过双轴压缩与直剪试验探讨应力主轴方向固定与旋转条件下粒状材料的细观变形机制；开发新的离散元算法并以理想材料试验进行验证，模拟复杂应力路径下各向异性粒状材料的力学响应，探讨组构演化规律与变形机理；在此基础上，引入合理描述组构演化规律的状态变量，基于多机构模型概念，建立较好描述粒状材料各向异性力学行为的本构模型。

本课题以砂土等各向异性粒状材料为研究对象，采用二维理想粒状材料模拟，试图深入地探究粒状材料从小变形到破坏的细观组构演化规律，取得的主要成果有：.（1）研制了一套新的适用于二维理想粒状材料的双轴压缩试验系统，包括试验材料、试验设备与测试技术。该试验系统的主要优点在于能够连续地跟踪试样的细观组构演化过程。开发了基于数字图像技术的细观组构分析方法与程序，具有颗粒识别、接触搜索与组构分析等功能，精度与效率均较高。此外，还利用新开发的可模拟椭圆形颗粒的离散元程序，对二维理想粒状材料双轴压缩试验进行了数值模拟，两者较为吻合，证实了该离散元程序的有效性。.（2）基于系统的双轴压缩试验与深入的细观组构分析，揭示了各向异性粒状材料的细观组构演化与宏观破坏行为之间的内在联系及其物理机制：①剪应变较小时，颗粒长轴与接触法线的定向分布无明显变化，接触力的变化是比接触法线方向变化更为敏感的表述密实状态下粒状材料组构演化的参数；②明显存在着一个卓越剪切方向，随剪应变增大，颗粒长轴呈现出向该方向偏转的趋势；卓越剪切方向与沉积面方向（颗粒长轴优势方向所处的面）关系不大；较大应变时沿卓越剪切方向会形成剪切带；③沿卓越剪切方向在相对狭窄的范围内开始出现应变局部化时，发挥出的抗剪强度达到峰值；剪切带完全形成时，抗剪强度达到残余值；④粒间滑移与偏转对强度的影响程度因沉积面方向的不同而变化；当卓越剪切方向与沉积面平行或接近平行时，细观破坏以滑移为主；随着卓越剪切方向与沉积面之间夹角的增大，偏转所占成分增加；颗粒偏转程度的不同是导致峰值强度各向异性的主要原因。.（3）基于本文所揭示的各向异性粒状材料的细观破坏机制，通过推广Matsuoka等提出的空间滑动面（SMP）概念，建立了一个物理概念明晰的三维各向异性强度准则，采用已有试验结果初步验证了该强度准则的有效性和较为广泛的适用性。.（4）基于新的各向异性强度准则，提出了一种可以考虑强度各向异性的主动土压力计算方法，研制了一套适用于理想粒状材料的主动土压力离心模型试验设备与测试技术，通过离心模型试验验证了所提出的计算方法的有效性。此外，还针对均质土坡，分析了强度各向异性对边坡稳定性的影响。结果表明，岩土强度各向异性对边坡安全系数有一定影响，但对临界滑裂面的位置无显著影响。