砂土剪胀与应力诱导各向异性的宏细观分析及其热力学本构描述

作为土力学核心的本构模型中，砂土剪胀与应力诱导各向异性的细观机理和同时描述这两个特性的宏细观热力学本构模型还甚是少见，因而成为研究的新角度。基于从细观揭示机理，总结规律，再建立宏观理论体系，抽象成本构模型的研究思路，以室内土工试验与颗粒离散元数值试验为手段，揭示和弄清砂土Reynolds剪胀和伴随的应力各向异性细观变形与能量耗散机理；以具有紧凑的数学结构，明确的物理力学基础，严格满足热力学定律的超塑性理论为理论基础，在模拟岩土材料本构特性热力学方法的框架内，对砂土剪胀与应力诱导各向异性进行新探讨；用不可恢复的塑性体积应变为硬化参量的等向硬化模型反映应力变化导致的体应变；建立诱发剪胀角(应力各向异性角)的演化方程，用剪切塑性应变为硬化参量的旋转硬化模型反映剪胀与应力诱导各向异性。最终建立包含Reynolds剪胀与应力诱导各向异性的砂土热力学模型，经验证与有限元程序化后实现模型的工程应用。

砂土剪胀与各向异性等宏观力学性质的描述与细观变形机理是当前岩土本构模型研究的热点和难点。本项目首先开发了“砂土变形细观瞬时光学测量系统”，实现了常规试验与土体细观结构的联合测试。利用该系统与GDS应力路径三轴测试系统对不同颗粒级配的砂土进行了直剪试验与多种应力路径的三轴试验，获得了大量的砂土剪切过程中的微观数字图像与数据。同时进行了基于离散元软件PFC2D的相应的数值模拟试验，室内土工试验与数值试验相互印证和补充，通过对宏观力学性质和颗粒定向、应变场、速度场、位移场、颗粒配位数和接触力链等试验结果进行剖析，进一步揭示了砂土的力学性质与细观变形机理，探研了应力路径和颗粒级配对砂土影响的细观机理。定义构建了基于颗粒圆度与凹凸度的形状系数，通过PFC2D中的clump命令生成了4种不同外轮廓特征的颗粒组，进行了颗粒堆积试验、双轴试验和直接剪切试验，探讨了颗粒形状对试验结果的影响，分析了砂土材料宏观力学特性随颗粒形状变化的规律；通过单向法，各向同法和沉积法生成不同初始组构特征的试验样品，探讨了初始组构各向异性对砂土抗剪强度与剪胀性的影响规律。采用数值模拟试验并结合已有的土工试验结果，从宏、微、细观不同尺度和能量耗散角度，开展了对砂土在慢速往复荷载作用下表现出的宏观力学响应、微观结构变化、细观力链演变以及能量耗散规律等方面的研究。建立了能够反映砂土和黏土变形特性的统一热力学模型，并运用建立三维临界状态模型的方法将模型三维化，编制了模型的验证程序与有限元程序，通过对试验结果模拟，粉细砂常规三轴实验与地基沉降算例的有限元分析，初步验证了模型的合理性和有效性。根据砂土细观物理特性可以用宏观组构张量来描述的特点，统一考虑各向同性与各向异性，把应变分配法则和材料特性联系起来，建立了岩土材料特性相关的塑性位势理论。采用组构张量描述材料的细观特性，用组构张量和应力张量形成的组合张量的两个不变量定义了各向异性状态变量，然后用各向异性状态变量建立了土体的各向异性破坏准则。开展了将统一热力学模型与宏细观结合的各向异性破坏准则作为用户子程序接口接入大型商用有限元程序Abaqus，并对海底斜坡稳定性进行分析计算的研究工作。