砂土的非共轴微观机制与细宏观数值仿真分析技术

砂土的一个主要力学特性就是非共轴性，它在现代土力学中占有重要的地位。将砂土的非共轴宏观本构理论，与其微观结构联系起来，是目前土力学研究的热点与前沿问题之一。本课题从室内试验、微观模型和离散元数值模拟着手，以砂土的各向异性为立足点,对砂土的非共轴微观机制与复杂岩土工程的细宏观数值仿真技术进行研究。首先采用传统的微观结构参数测试技术与离散元数值试验相结合的方法，揭示了级配相同的典型砂样的结构形态差异；并通过空心圆柱试验初步揭示了砂土的非共轴机制；接着在试验资料的基础上，建立了各向异性砂土颗粒的微观力学模型；再将该模型引入到离散元程序中；然后运用离散元程序，实施了双轴试验、不排水主应变旋转、单剪试验等数值试验，进一步揭示了各向异性砂土非共轴特性的微观机制；并通过数值试验探讨了既有双剪类运动模型中转动率参量假定的合理性；验证了课题负责人提出的DSR2模型研究砂土非共轴特性的可行性；研究表明：颗粒长短轴比例对非共轴特性的影响较颗粒表面的颗粒粗糙程度更为强烈，且长短轴比例越大，非共轴现象越明显。本课题研究成果具有较高的学术和工程应用价值，将使我国在这方面的研究处于国际前沿。 2100433B

砂土的一个主要力学特性就是非共轴性，它在现代土力学中占有重要的地位。将砂土的非共轴宏观本构理论，与其微观结构联系起来，是目前土力学研究的热点与前沿问题之一。本课题拟从室内试验、微观模型和离散元数值模拟着手，以砂土的各向异性为立足点,对砂土的非共轴微观机制与复杂岩土工程的细宏观数值仿真技术进行研究。首先对几种砂土进行宏微观力学试验研究；接着在试验资料的基础上，建立各向异性砂土颗粒的微观力学模型；再将该模型引入到离散元程序中；然后运用离散元程序，模拟各种室内试验，弄清各向异性砂土非共轴特性的微观机制；再建立基于微观机制的各向异性砂土非共轴宏观本构理论，编制相应的有限元程序；最后用离散元程序与有限元程序模拟桩基、基坑工程与隧道工程，并与已有的试验资料进行对比与分析。本课题研究成果具有较高的学术和工程应用价值，将使我国在这方面的研究处于国际前沿。

交通荷载是主应力轴连续循环旋转，偏应力值随之不断变化的特殊应力路径。对交通荷载下砂土的非共轴变形行为认识不清，是导致道路病害频发的主要原因之一。项目拟采用室内实验、理论研究和数值模拟等多种手段，深入探索交通荷载作用下砂土的非共轴变形特性。通过室内HCA三轴实验，研究不同初始状态、应力路径和加载速率的交通荷载对砂土非共轴性影响的基本规律，提出砂土非共轴塑性模量与各主要影响因素间的数学关系式。基于弹塑性理论和非共轴塑性流动法则，建立考虑主应力轴连续旋转条件下，应力路径、加载速率等因素影响的砂土非共轴本构模型。基于新建模型，在ABAQUS平台上编制通用的三维有限元软件，进行室内HCA实验的数值计算，反复校核程序和模型，并确定参数取值方法。对高等级公路试验段砂土路基工程进行数值仿真，结合现场监测数据，讨论模型的适用条件和应用效果。本研究对提高砂土路基设计和理论分析水平具有重要的科学意义和实用价值。

宏观预测和微观预测常常是相对而言的，在内容上和方法上是有截然区别的。例如在我国进行全国性的规划，以一个国家作为一个分析系统，则全国的情况、全球国家间的对比等就是宏观预测，而下面每个省的规划指标就可以视为微观的预测；如果进行的是省的规划，以一个省作为一个分析系统，则全省情况、全国省与省对比等就是宏观预测，而下属的市、县就是微观。宏观预测所涉及的内容包括国家宏观政策的影响、行业政策的影响，也包括分析系统内每一种通信业务的总的普及率/渗透率预测、各种业务占比（如数据业务上升）及发展趋势等。

微观预测所涉及的内容是分析系统中每个元素的分析预测，例如完成地市以上单位的规划时，包括用户密度图预测、小区或乡镇分区预测、分类用户预测、不同经济地位和层次用户的预测、设备总容量预测、业务量预测及子系统之间的业务流量、流向预测等。

采用散粒介质力学与细观机理分析方法，通过三轴数值试验，模拟在地震荷载作用下饱和砂土液化过程，探讨液化过程中状态转换面的产生、稳态变形、循环活动性发展等的细观机理。在此基础上，发展一个颗粒-流体耦合的饱和砂土细观力学模型，模型中颗粒运动采用散粒介质的离散单元方法模拟，流体运动采用计算流体动力学（CFD）技术计算，通过一定的边界条件实现流固两相的耦合。采用建立的细观模型研究饱和砂土液化时土体的局部渗流特性，分析渗透系数与应力、细观组构演化与宏观应力应变发展之间的定量关系。在振动模型试验中引入先进的数码摄像可视化跟踪技术和数字信息计算机实时处理技术，测量分析饱和砂土液化时土体细观组构参数的演化规律，并与数值结果进行对比分析。最后根据上述流体-颗粒耦合细观模拟、组构演化规律分析以及模型试验结果，建立一个基于细观机理分析的饱和砂土液化模型。 2100433B