基于Cosserat连续体模型的土体应变局部化的试验与数值研究

通过三轴实验与平面应变条件下渐进破坏实验的数字图像测量，得到细粒土的种类、平均颗粒直径、密度、应力水平及加载速率等对剪切带的型式、宽度以及土结构承载能力等的影响规律；将实验与数值模拟相结合，以所测得的应力应变场、剪切带的宽度等作为重要的拟合对象进行数值反分析，得到各种条件下的内部长度参数及Cosserat剪模的取值规律；为适应土体大规模应变局部化数值模拟研究和发展具备低阶高精度特点的有限单元及相应的非线性本构积分的一致性算法；以离心机实验系统模拟不同应力水平下不同尺寸的各类土体在填筑或开挖过程中的渐进性破坏实验，得出在各种工况下土体的变形破坏规律；用模型试验结果检验并进一步修正所发展的数值方法及参数取值规律；结合一定量变动参数的数值试验，对剪切带破坏现象及其数值模拟等问题形成规律性的认识，为应用于实际工程提供一定的指导性依据，推动基于Cosserat连续体的应变局部化理论在岩土工程中的应用 2100433B

本研究针对现有的应变局部化理论分析复杂应力状态下土体失稳现象所面临的一些列问题，从真三轴试验研究出发，提出三维非共轴的变形分叉理论来预测土体的失稳状态，并引进复合体理论描述土体失稳后的力学性状，将上述理论与有限元技术相结合可有效的降低单元网格尺寸的敏感性，从而为数值模拟土体渐进破坏过程提供了有效的途径。本研究成果可为今后土体失稳和变形控制提供理论依据。 2100433B

随着高层建筑、桥梁和海洋平台等结构性能化设计和精细化设计深度的发展，桩基础所承受的风、交通、潮汐和地震作用等横向荷载，已经越来越受到中外学者的重视。桩的横向受荷是桩和土体相互作用的过程，桩的性状是由桩周围土体的变形和破坏特性控制，可视化和定量化研究土体变形和破坏具有重要意义。本项目利用室内模型试验和数值模拟计算研究横向荷载桩与土体相互作用机理。采用粒子图像测速技术动态测量桩在横向加载过程中桩周砂土的位移，计算桩的弯矩、挠度、剪力和桩周土体的抗力、位移、剪应变等，得到更可靠和真实的p-y曲线参数。首次将透明土和渗水力模型试验相结合，可视化和定量化分析ng重力场土体内部变形规律。通过非饱和砂土、饱和砂土和透明土的试验，定量分析饱和度、侧限条件和应力水平对桩土相互作用的影响，研究渗水力模型试验在桩土相互作用中的可靠性，为简化昂贵的现场试验提供可借鉴的方法。

利用三轴试验土样变形数字图像测量系统，开展基于局部变形测量结果的土体应力应变特性研究，与整体变形的测量结果对比分析，确定土样端部约束的影响范围、约束效应对土体应力应变特性的影响程度。选用经典非线性弹性模型和弹塑性模型，针对代表性土类开展应力应变特性研究，根据试验结果和模型的特点，对模型本身和模型参数整理方法进行改进使之更接近和如实反映土体应力应变特性。利用三轴土样图像测量局部变形和传统测量整体数据，分析泊松比的变化规律及取值对计算结果的影响，研究土体泊松比参数的试验方法和数值分析取值依据。从弹塑性模型出发，研究砂土材料在加卸载过程中的变形特性，分析颗粒破碎等物态变化对砂土应力应变影响，定量研究加载体胀和卸载体缩规律。 2100433B