土体介质尺度效应的试验及数值模拟分析

【摘要】：土体颗粒之间复杂的相互作用决定了土体的力学性质具有明显尺度效应。本文基于土体受力变形过程中的“尺度效应”现象,从各个层次尺度考虑土体颗粒间相互作用机制,利用不同颗粒尺度和级配,对土体变形尺度效应进行原创性的实验设计,给出了反映土体尺度效应规律和机制的实验成果;原创性的提出“基体—加强颗粒”微裂纹理论模型,得到包含土体微细观颗粒之间相互作用的应力-应变关系及内禀尺度计算表达式。根据土体变形的“尺度效应”特点,通过建立各向异性颗粒尺度连续体引入内禀尺度,原创性的建立能充分联系宏观-细观-微观的跨多个尺度的力学模型,彻底解决土体颗粒特性带来的问题,从新的视觉理解土体宏观的连续变形和微细观变形的非连续性的基本特征。基于土体颗粒微细观层次的运动形式,依据现代摩擦学理论的滚动破坏机制及Terzaghi土体摩擦破坏机制,原创性的提出颗粒在微细观滚动、滑动双屈服面的屈服破坏机制,建立了偶应力空间的屈服流动法则和硬化机制,更为客观的模拟了土体颗粒的运动及破坏形式。基于以上全新的颗粒尺度连续体跨尺度力学模型自行开发研制了有限元分析程序,程序能将各个尺度相互作用机理通过宏观的位移、应力、应变等计算结果表现出来。本文自编程序对土柱轴在对称荷载作用下和自然边坡在非对称荷载作用下的变形局部化进行模拟,模拟得到了土体变形局部化发展的全过程,模拟结果与实际工程观察到的局部化现象基本一致。本模型及程序克服了经典弹塑性力学在计算塑性区局部化过程中出现的集中表征于某一个零尺度的问题;也解决了连续介质力学中一点没有几何大小,只能模拟出张开和滑移,不能体土体微结构倾覆(滚动)的破坏机制的问题。通过各向异性颗粒尺度连续体跨尺度力学有限元程序仿真,得到了土体在变形局部化过程中的颗粒尺度效应、塑性区局部化特点、土体微细观破坏的机理、土体微细观固有内禀参数等有意义的结论。本文的理论、试验、自行编制的程序及仿真分析得到的结论对土体工程的治理、防灾、预报具有重大的现实意义。