基于细观破损机制的结构性土各向异性二元介质模型研究

天然土具有结构性和各向异性。二元介质模型把结构性岩土材料抽象成由结构块和软弱带组成的二元介质材料，受荷过程中结构块逐渐破损转化为软弱带二者共同抵抗外部荷载。针对初始各向同性的结构性土，我们对二元介质模型中的结构参数、本构方程和结构块细观破损机理进行了大量研究工作。本项目基于已有研究成果，在岩土破损力学的理论框架下来研究各向异性结构性土的细观破损机理、结构参数演化规律和建立各向异性结构性土的二元介质模型。通过进行考虑各向异性的结构块破损试验和人工制备结构性土试验来研究各向异性结构性土的宏细观破损规律和力学特性；通过细观数值模拟方法来研究各向异性结构性土的结构参数演化规律和细观破损机理；基于破损力学的理论框架建立各向异性结构性土的破损准则和宏观本构模型；把上述建立的本构模型和分析方法应用于土坡的渐进破坏分析。

天然土有结构性和各向异性。只有掌握了天然土破损过程的物理机制和正确描述其应力-应变关系，才可为大型建筑物的设计和施工提供理论依据。本课题基于岩土破损力学，采用试验、理论和数值模拟相结合的研究方法，研究了初始应力各向异性结构性土的细观破损机理并建立了考虑初始应力各向异性的二元介质模型。开展了人工制备初始应力各向异性结构性土和结构块的室内试验，探讨了不同应力路径下初始应力各向异性结构性土的力学性质和破损规律，试验表明了人工制备初始应力各向异性结构性土方法的可行性，试验发现上覆预加荷载、固结围压、应变水平和应力路径等对于初始应力各向异性结构性土的应力-应变关系影响较大；观察了结构性土的微观SEM图像，采用离散单元法生成了结构性土样并进行了数值试验，细观数值模拟结构表明围压、颗粒之间的胶结、颗粒之间的摩擦系数及颗粒的刚度都对结构性土的力学性质有较大影响；基于初始应力各向异性结构性土的试验结果，分析了初始应力结构性土的细观破损机理，提出了结构破损参数的演化规律，并建立了初始应力各向异性结构性土的二元介质模型；基于Biot固结理论，推导了初始应力各向异性结构性土的有限元格式，并进行了单向压缩试验和天然地基破坏过程的模拟，验证了所提出的初始应力各向异性结构性土的二元介质模型的正确性；并针对砂岩岩样的三轴试验结果，初步建立了单调加载和循环加载下的二元介质本构模型。研究成果可为天然土/岩石有关的土工基础的设计和可行性论证提供理论指导和依据。