考虑颗粒形态效应的砂土破碎微观力学机理研究

Among many kinds of uncertainties that affect the design and construction of geotechnical infrastructures in sand, the incomplete understanding of particle breakage behavior and its effect on the macro-mechanical properties of sand constitutes a major source of uncertainty. Concerning the fundamentals of the breakage mechanics, particle morphology is well known to play an important role in the sand crushing behavior. To date, however, very little is known about the intrinsic relationship between particle breakage and particle morphology evolution, and their influences on the macroscopic properties of sands. In view of the above deficiency, we propose an advanced investigation into the sand particle morphology and its influence on the particle breakage behavior and the macroscopic shear strength of sands using a combined experimental, theoretical and numerical approach. Specifically, the experimental investigation involves the use of nano-focus X-ray computed tomography (CT) in the visualization and characterization of sand particle morphologies and their evolution during the triaxial loading process. Then the theoretical investigation employs the spherical harmonics analysis (SHA) for the reconstruction of real sand particle morphologies acquired from the CT study and implement it in the 3D discrete element method (DEM) modeling of real sands. Finally, the numerical investigation establishes a probability-based DEM modeling approach for the realistic simulation of particle breakage and fragmentation behaviors. This innovative research will unravel the intrinsic linkage between particle morphology and particle breakage, and their relationship to the macroscopic shear strength of sands under the triaxial shearing condition.

对于颗粒破碎行为和其对宏观力学性质的影响的认识不足是造成岩土工程基础设施的设计和施工中不确定性的一个主要原因。众所周知，颗粒形状对砂土破碎性能有很大的影响。然而，我们对于颗粒破碎和颗粒形状演化的内在关系以及它们对于砂土的宏观性质的影响的认识仍然很缺乏。鉴于上述不足，我们采用试验、理论和数值模拟方法相结合的途径对砂土颗粒形状及其对颗粒破碎行为进行深入研究。具体来说，室内试验采用纳米焦点X射线计算机断层扫描技术在三轴加载过程中观察和表征砂颗粒形状及其演变过程。然后，理论分析采用球谐函数分析法（SHA）对从CT扫描中得到的真实砂颗粒形状进行重建并将其应用于三维离散单元法（DEM）的模拟中。最后，数值分析将建立一个基于概率的DEM模拟方法以用于真实颗粒形状和破碎的模拟。这项创新研究将揭开颗粒形状和颗粒破碎的内在联系，以及它们与三轴剪切条件下的砂土宏观抗剪强度之间的关系。

该项目采用X射线断层扫描（μCT）与离散元（DEM）模拟相结合的方法对包括石英砂、钙质砂和橡胶砂在内的多种颗粒材料的宏微观力学行为开展了一项全面深入的研究。对于各种颗粒材料在单颗粒压缩、一维压缩和三轴剪切状态下的力学特性进行了一系列μCT原位试验、数值模拟和理论分析工作，取得了非常丰硕的成果。特别是在考虑多尺度颗粒形貌和破碎效应方面，研究组完成了一系列具有高度原创性、科学以及工程意义的学术成果。项目所取得的研究成果可以概括为以下几个方面：（a）研发了一种微型三轴实验装置，通过与X射线μCT技术相结合捕捉了实验材料在单颗粒压缩、一维压缩和三轴剪切条件下的宏微观力学特性变化；（b）运用μCT技术，进行了原位三轴试验研究并获取了在不同的加载阶段的CT扫描图像。建立了单个砂颗粒模型并模拟了其破碎行为，结合该成果与获取的试样CT图像，进行了砂颗粒一一映射的DEM模拟研究；（c）提出了一个新颖的框架用于测量颗粒材料的3D形状参数。还提出了一种新颖的3D圆度评估技术以对颗粒的圆度进行研究。利用DEM数值模拟进一步探究圆度对颗粒材料力学性质的影响。为量化试样的应变，还提出了一种基于栅格的应变场计算方法;（d）开展了一项运用球谐函数（SH）生成新颖的多尺度颗粒形貌指标的研究，以及结合基于球谐函数的主成分分析（SH-PCA），提出了一种生成基因突变的虚拟颗粒的颗粒重建技术。开发了两种基于颗粒形状的颗粒追踪方法以用于研究颗粒材料的运动学特征；（e）开展了一项砂土橡胶混合材料的X射线μCT研究以及三轴剪切条件下的钙质砂的破碎行为的研究，丰富了对不同颗粒材料在三轴剪切条件下的力学行为研究；（f）通过使用在加载期间的颗粒运动学和接触数据来预测颗粒材料在单轴压缩下的归一化颗粒最大法向接触分布(NPMNCF)。采用的预测模型提供了满意的预测精度。本项目还基于离散元法（DEM）产生的模拟数据，开发并应用人工神经网络（ANN）来预测两种初始相对密度不同的理想化颗粒材料在三轴剪切条件下的力链演变规律；（g）开展了基于速度进程理论（RPT）的颗粒材料一维、三维蠕变及应力松弛的DEM模拟研究；进一步充实了对颗粒材料的认知。以上学术成果多数发表在岩土工程及相关领域的顶尖国际期刊上。