基于可视化技术的砂土剪切带破坏三维宏微观基本机理研究

砂土剪切带破坏是实际工程和室内实验中普遍存在的一种破坏现象。迄今为止，国内外许多学者对这一现象展开了大量研究并取得了一定的研究成果，但是这些关于砂土剪切带的研究大部分集中在其力学行为方面。砂土作为一种颗粒材料，剪切带在其内部的形成和发展不仅仅是外力作用的产物，同时也是微观材料特征发生变化的产物（比如孔隙率、孔隙分布、颗粒大小等）。如果说力学性质方面的研究是从宏观的角度去理解剪切带机理，那么微观材料特性则是从微观角度对机理加以诠释，因此这两方面的研究是相辅相成、缺一不可的。本课题拟在申请者相关研究的基础上，采用最先进的三维微观图像采集和分析技术，结合相关的室内实验和高精度的三维离散元模拟，对砂土剪切带的三维微观结构进行研究。与此同时，把三维微观性质与力学行为相结合，在此基础上建立更为精确、合理的砂土剪切带破坏机理模型，并应用于数值模拟和工程实践领域。

在国家自然科学基金青年基金项目（批 准 号：51109125）的支持下，项目申请人及研究团队通过室内土工试验、模型试验、现场试验、三维微观成像及三维离散元数值模拟，对砂土剪切带破坏的基本机理进行了系统深入的研究。研究了边界条件、应力水平、颗粒级配、颗粒长细比等因素对砂土应力和应变等力学行为，剪切带宽度和倾角等亚微观性质，以及颗粒取向、局部孔隙率、孔隙大小和形状等微观性质的影响。相关试验及分析发现，对于砂土之类的松散材料，边界条件是触发剪切带及影响剪切带发展的关键因素之一，而应力条件是影响剪切带形式的主要因素之一。通过对比不同边界条件的试样剪切破坏，研究发现相较于柔性边界，由于刚性边界限制了试样内部的局部变形，难以促发有效的剪切带，剪切带的发展不具有持续性。通过对比平面应变试验和三轴试验的结果，发现应力的轴对称性是保证剪切带具有对称性的必要条件。在三轴试验中，剪切带会形成非常复杂的轴对称形式。另外，项目对现场施工对砂土破坏的影响也进行了一定的研究。相关研究成果已经发表在《Environmental Earth Sciences》、《土木工程学报》等岩土工程专业领域权威学术期刊及会议论文及上面（SCI检索学术期刊论文2篇），达到了项目的预期研究目标。