多尺度粗颗粒土体粒间接触力学特性及非连续变形分析方法研究

Based on the previous study, this project employs the inter-particle contact tests, visual large shear tests, centrifuge model tests, and delicacy distinct element simulations into a multi-scale investigation on the inter-particle contact behaviors and discontinuous deformation analyses of coarse-grained soil by means of macro and micro dimensions. The objectives are (1) to develop an inter-particle contact constitutive model, and to reveal micro mechanism on failure rules of inter-particle contact behaviors on coarse grains based on inter-particle normal and tangential contact tests in different material properties, particle sizes and contact patterns of coarse granular materials; (2) to establish mathematical correlations between micro characteristics on inter-particle contact and macro behaviors on particle aggregates, and to verify inter-particle contact constitutive model based on visual large shear tests; (3) to reveal macro-micro mechanism and evolution laws on microstructures of inter-particle contacts in failure process of coarse-grained model in centrifuge stress fields based on centrifuge model tests of overloaded slopes; (4) to propose a delicacy discontinuous deformation analysis (DDA) befitting actual engineering of coarse-grained medium combined with an analysis code considering particle crushing of coarse grains and filling effect of fine grains based on three dimensional numerical simulations of large shear tests and centrifuge model tests by fixing the micro constitutive model into DDA. This research is to strengthen the fundamental micro mechanical theory of inter-particle contact behaviors on coarse grains, and to improve the assessment methodology of geotechnical engineering of coarse-grained soil.

在前期研究基础上，通过颗粒接触试验、可视化大直剪试验、离心模型试验、离散元精细化数值分析，从宏细观多尺度层面研究粗颗粒土体粒间接触力学特性及非连续变形分析方法：（1）针对不同材性、不同大小、不同接触形式的岩土粗颗粒，进行粒间法向、切向接触力学试验，揭示接触破坏细观力学机制，建立粒间接触细观本构模型；（2）通过可视化大直剪试验，验证粒间接触本构模型，建立颗粒细观接触特征与颗粒集合体宏观力学表现之间的数学关联；（3）通过边坡超载离心模型验证试验，揭示离心应力场下，模型变形失效过程中的宏细观力学机理和细观组构演化规律；（4）将粒间接触细观本构模型植入离散元程序，进行大直剪试验和离心模型试验三维数值模拟，结合粗颗粒破碎及细颗粒填充作用分析模块，提出适合实际工程的非连续变形体精细化数值分析方法。本研究可为岩土粗颗粒接触特性的深入研究提供细观力学基础，还可为粗颗粒土体工程项目的分析和评价提供理论依据。

粗粒土等散粒介质颗粒的接触力学机理尚不清晰，接触参数也不能由试验直接测试，对岩土粗颗粒接触力学特性及细观本构关系的研究具有重要意义。本项目通过颗粒接触试验、可视化大直剪试验、离心模型试验、离散元精细化数值分析，从宏细观多尺度层面研究粗颗粒土体粒间接触力学特性及非连续变形分析方法。（1）将实际粗粒土颗粒之间的接触形式简化为点-面接触，通过试验测试研究粗粒土的粒间接触性质。针对不同材性、不同大小、不同接触形式的岩土粗颗粒，进行粒间法向、切向接触力学试验，揭示接触破坏细观力学机制，并归纳出粒间接触本构模型。研究发现，接触形式和岩石硬度对于接触刚度影响明显，但粒径大小对于接触刚度的影响并不大。（2）通过可视化大直剪试验，验证粒间接触本构模型，建立颗粒细观接触特征与颗粒集合体宏观力学表现之间的数学关联。通过颗粒细观运动特性分析发现，在剪切过程中剪切带并不是严格按照剪切缝展开，而是沿着向上突起的拱形滑动面发展。（3）通过边坡超载离心模型验证试验，揭示离心应力场下，模型变形失效过程中的宏细观力学机理和细观组构演化规律。试验证明离心加速度对于粗粒土具有明显的粒径放大作用，建议在离心试验中进行级配缩尺时应当充分考虑粒径效应的影响。（4）将粒间接触细观本构模型植入离散元程序，进行大直剪试验和离心模型试验三维数值模拟，结合粗颗粒破碎及细颗粒填充作用分析模块，提出适合实际工程的非连续变形体精细化数值分析方法。采用实测的粒间接触模型及接触参数对大直剪试验和离心模型试验进行离散元数值模拟，计算结果与物理试验基本一致。级配试样的粗粒土数值模型，由于缺少细颗粒填充孔隙，导致计算结果与实测结果存在一定差异。本研究可为岩土粗颗粒接触特性的深入研究提供细观力学基础，针对非连续变形体提出的接触模型及参数测试方法还可为粗颗粒土体工程项目的分析和评价提供理论依据和技术支持。