多维主应力轴旋转对土体力学响应的作用

The principal stress rotation (PSR) plays a very important role in soil stress-strain responses, and it is an important research area in geotechnical engineering. Many researchers have conducted a lot of research on this field of study. The PI has also comprehensively studied the impact of PSR from the perspectives of experiments, constitutive modeling and numerical computation. However, most of these studies focus on the one dimensional condition. In practice, many geotechnical applications involve multiple PSRs. Therefore, given.the importance of the PSR, this project aims to extend the PSR study from one dimension to multiple dimensions. It consists of 1) explore the characteristics of soil stress-strain responses under multiple PSRs; 2) develop elastoplastic constitutive models to describe the responses; 3) numerically analyze boundary value problems under multiple PSRs, and explore the impact of PSRs on geotechnical engineering applications.

主应力轴旋转对土的力学响应有重要的影响，很多学者对主应力轴旋转问题进行了大量的研究。申请人也从实验测试、本构模型构建、数值计算等方面对主应力轴旋转课题进行了长期的研究。但这些研究工作主要是针对单向主应力轴旋转。在很多岩土工程中，土体中存在多个方向的主应力轴旋转，比如自重对边坡土体产生的剪应力与来自不同方向的地震产生的剪应力构成了多向的主应力轴旋转。初步的实验测试表明，多向主应力轴旋转对土体的影响不同于单向主应力轴旋转。因此，本项目拟针对多向主应力轴旋转进行系统深入的研究。研究的目标和内容包括：1）通过室内实验方法，包括空心圆柱扭剪和多向动力单剪实验仪，测试土样在各种多向主应力轴旋转路径下的应力应变关系特性；2）构建弹塑性本构模型描述土样在多向主应力轴旋转下的应力应变关系及力学特性；3）将主应力轴旋转弹塑性模型植入有限元软件分析计算岩土边界值问题，探索其对岩土工程稳定性的影响。

主应力轴旋转对土体的应力应变关系及强度有重要的影响，在岩土工程分析计算中起到不可忽视的作用，是岩土力学中的一个重要研究领域。但这些研究工作主要是针对一维主应力轴旋转。在很多实际岩土工程中，土体中存多个方向的主应力轴旋转，比如自重对边坡土体产生的剪应力与来自不同方向地震产生的剪应力构成了多向的主应力轴旋转。申请者本人在初步的静力实验测试中也发现，多维的主应力轴旋转对土体的力学行为的影响与一维的影响不同。.因此，鉴于主应力轴旋转对土体力学行为的重要作用，本项目拟针对多向主应力轴旋转进行系统深入的研究。研究的目标包括：1）探索土体在多向主应力轴旋转作用下的力学特性；2）分析研究各种岩土工程在引起多向主应力轴旋转的外力下的稳定性；3）提升岩土工程在复杂外力作用下的分析研究的可靠性与准确性。.研究内容包括：1）利用多向动力单剪仪及空心圆柱扭剪仪实验测试各种多向静动力主应力轴旋转对土体力学行为的影响。 2）构建本构模型描述土体在多向静动力主应力轴旋转作用下的力学特性。 3）利用数值计算方法分析多向静动力主应力轴旋转对岩土工程稳定性的影响并与实验结果对比验证。.该项目取得了预期的效果。大量的土工实验数据和离散元分析表明，土体在双向主应力轴旋转时较单向旋转会产生更大的变形以及更低的强度。变形增大和强度降低的程度受到双向剪应力夹角的影响很大。另外，不同的双向主应力轴旋转的应力路径对土体的变形和强度也会产生很大的影响。团队利用不同的土体本构模型结合有限元数值计算方法分析了多个岩土工程的稳定性问题，包括基础工程、地震工程、波浪对海底土的破坏、隧道开挖工程、交通工程，等等。分析计算结果表明，考虑主应力轴旋转是正确分析岩土工程稳定性的不可或缺的一个重要因素，考虑双向主应力轴旋转能更准确地分析岩土工程的稳定性。该项目对深入探索土体力学特性起到了关键作用，对岩土工程的防灾减灾有重要的借鉴作用。