砂土的非共軸微觀機(jī)制與細(xì)宏觀數(shù)值仿真分析技術(shù)

砂土的一個(gè)主要力學(xué)特性就是非共軸性，它在現(xiàn)代土力學(xué)中占有重要的地位。將砂土的非共軸宏觀本構(gòu)理論，與其微觀結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)，是目前土力學(xué)研究的熱點(diǎn)與前沿問(wèn)題之一。本課題從室內(nèi)試驗(yàn)、微觀模型和離散元數(shù)值模擬著手，以砂土的各向異性為立足點(diǎn),對(duì)砂土的非共軸微觀機(jī)制與復(fù)雜巖土工程的細(xì)宏觀數(shù)值仿真技術(shù)進(jìn)行研究。首先采用傳統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)試技術(shù)與離散元數(shù)值試驗(yàn)相結(jié)合的方法，揭示了級(jí)配相同的典型砂樣的結(jié)構(gòu)形態(tài)差異；并通過(guò)空心圓柱試驗(yàn)初步揭示了砂土的非共軸機(jī)制；接著在試驗(yàn)資料的基礎(chǔ)上，建立了各向異性砂土顆粒的微觀力學(xué)模型；再將該模型引入到離散元程序中；然后運(yùn)用離散元程序，實(shí)施了雙軸試驗(yàn)、不排水主應(yīng)變旋轉(zhuǎn)、單剪試驗(yàn)等數(shù)值試驗(yàn)，進(jìn)一步揭示了各向異性砂土非共軸特性的微觀機(jī)制；并通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)探討了既有雙剪類運(yùn)動(dòng)模型中轉(zhuǎn)動(dòng)率參量假定的合理性；驗(yàn)證了課題負(fù)責(zé)人提出的DSR2模型研究砂土非共軸特性的可行性；研究表明：顆粒長(zhǎng)短軸比例對(duì)非共軸特性的影響較顆粒表面的顆粒粗糙程度更為強(qiáng)烈，且長(zhǎng)短軸比例越大，非共軸現(xiàn)象越明顯。本課題研究成果具有較高的學(xué)術(shù)和工程應(yīng)用價(jià)值，將使我國(guó)在這方面的研究處于國(guó)際前沿。 2100433B

砂土的一個(gè)主要力學(xué)特性就是非共軸性，它在現(xiàn)代土力學(xué)中占有重要的地位。將砂土的非共軸宏觀本構(gòu)理論，與其微觀結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)，是目前土力學(xué)研究的熱點(diǎn)與前沿問(wèn)題之一。本課題擬從室內(nèi)試驗(yàn)、微觀模型和離散元數(shù)值模擬著手，以砂土的各向異性為立足點(diǎn),對(duì)砂土的非共軸微觀機(jī)制與復(fù)雜巖土工程的細(xì)宏觀數(shù)值仿真技術(shù)進(jìn)行研究。首先對(duì)幾種砂土進(jìn)行宏微觀力學(xué)試驗(yàn)研究；接著在試驗(yàn)資料的基礎(chǔ)上，建立各向異性砂土顆粒的微觀力學(xué)模型；再將該模型引入到離散元程序中；然后運(yùn)用離散元程序，模擬各種室內(nèi)試驗(yàn)，弄清各向異性砂土非共軸特性的微觀機(jī)制；再建立基于微觀機(jī)制的各向異性砂土非共軸宏觀本構(gòu)理論，編制相應(yīng)的有限元程序；最后用離散元程序與有限元程序模擬樁基、基坑工程與隧道工程，并與已有的試驗(yàn)資料進(jìn)行對(duì)比與分析。本課題研究成果具有較高的學(xué)術(shù)和工程應(yīng)用價(jià)值，將使我國(guó)在這方面的研究處于國(guó)際前沿。

交通荷載是主應(yīng)力軸連續(xù)循環(huán)旋轉(zhuǎn)，偏應(yīng)力值隨之不斷變化的特殊應(yīng)力路徑。對(duì)交通荷載下砂土的非共軸變形行為認(rèn)識(shí)不清，是導(dǎo)致道路病害頻發(fā)的主要原因之一。項(xiàng)目擬采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、理論研究和數(shù)值模擬等多種手段，深入探索交通荷載作用下砂土的非共軸變形特性。通過(guò)室內(nèi)HCA三軸實(shí)驗(yàn)，研究不同初始狀態(tài)、應(yīng)力路徑和加載速率的交通荷載對(duì)砂土非共軸性影響的基本規(guī)律，提出砂土非共軸塑性模量與各主要影響因素間的數(shù)學(xué)關(guān)系式?；趶椝苄岳碚摵头枪草S塑性流動(dòng)法則，建立考慮主應(yīng)力軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)條件下，應(yīng)力路徑、加載速率等因素影響的砂土非共軸本構(gòu)模型?；谛陆Ｐ?，在ABAQUS平臺(tái)上編制通用的三維有限元軟件，進(jìn)行室內(nèi)HCA實(shí)驗(yàn)的數(shù)值計(jì)算，反復(fù)校核程序和模型，并確定參數(shù)取值方法。對(duì)高等級(jí)公路試驗(yàn)段砂土路基工程進(jìn)行數(shù)值仿真，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，討論模型的適用條件和應(yīng)用效果。本研究對(duì)提高砂土路基設(shè)計(jì)和理論分析水平具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。

宏觀預(yù)測(cè)和微觀預(yù)測(cè)常常是相對(duì)而言的，在內(nèi)容上和方法上是有截然區(qū)別的。例如在我國(guó)進(jìn)行全國(guó)性的規(guī)劃，以一個(gè)國(guó)家作為一個(gè)分析系統(tǒng)，則全國(guó)的情況、全球國(guó)家間的對(duì)比等就是宏觀預(yù)測(cè)，而下面每個(gè)省的規(guī)劃指標(biāo)就可以視為微觀的預(yù)測(cè)；如果進(jìn)行的是省的規(guī)劃，以一個(gè)省作為一個(gè)分析系統(tǒng)，則全省情況、全國(guó)省與省對(duì)比等就是宏觀預(yù)測(cè)，而下屬的市、縣就是微觀。宏觀預(yù)測(cè)所涉及的內(nèi)容包括國(guó)家宏觀政策的影響、行業(yè)政策的影響，也包括分析系統(tǒng)內(nèi)每一種通信業(yè)務(wù)的總的普及率/滲透率預(yù)測(cè)、各種業(yè)務(wù)占比（如數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)上升）及發(fā)展趨勢(shì)等。

微觀預(yù)測(cè)所涉及的內(nèi)容是分析系統(tǒng)中每個(gè)元素的分析預(yù)測(cè)，例如完成地市以上單位的規(guī)劃時(shí)，包括用戶密度圖預(yù)測(cè)、小區(qū)或鄉(xiāng)鎮(zhèn)分區(qū)預(yù)測(cè)、分類用戶預(yù)測(cè)、不同經(jīng)濟(jì)地位和層次用戶的預(yù)測(cè)、設(shè)備總?cè)萘款A(yù)測(cè)、業(yè)務(wù)量預(yù)測(cè)及子系統(tǒng)之間的業(yè)務(wù)流量、流向預(yù)測(cè)等。

采用散粒介質(zhì)力學(xué)與細(xì)觀機(jī)理分析方法，通過(guò)三軸數(shù)值試驗(yàn)，模擬在地震荷載作用下飽和砂土液化過(guò)程，探討液化過(guò)程中狀態(tài)轉(zhuǎn)換面的產(chǎn)生、穩(wěn)態(tài)變形、循環(huán)活動(dòng)性發(fā)展等的細(xì)觀機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展一個(gè)顆粒-流體耦合的飽和砂土細(xì)觀力學(xué)模型，模型中顆粒運(yùn)動(dòng)采用散粒介質(zhì)的離散單元方法模擬，流體運(yùn)動(dòng)采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)計(jì)算，通過(guò)一定的邊界條件實(shí)現(xiàn)流固兩相的耦合。采用建立的細(xì)觀模型研究飽和砂土液化時(shí)土體的局部滲流特性，分析滲透系數(shù)與應(yīng)力、細(xì)觀組構(gòu)演化與宏觀應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展之間的定量關(guān)系。在振動(dòng)模型試驗(yàn)中引入先進(jìn)的數(shù)碼攝像可視化跟蹤技術(shù)和數(shù)字信息計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)處理技術(shù)，測(cè)量分析飽和砂土液化時(shí)土體細(xì)觀組構(gòu)參數(shù)的演化規(guī)律，并與數(shù)值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。最后根據(jù)上述流體-顆粒耦合細(xì)觀模擬、組構(gòu)演化規(guī)律分析以及模型試驗(yàn)結(jié)果，建立一個(gè)基于細(xì)觀機(jī)理分析的飽和砂土液化模型。 2100433B