宏微观土力学之进展

宏微观土力学之研究进展目录2.

宏微观土力学的基本研究思路1.

宏微观土力学的由来、目标与任务

3.宏微观土力学的的研究进展(b).宏微观土力学的研究进展4.宏微观土力学发展的机会与挑战(a).

微观本构关系1.

宏微观土力学的由来、目标与任务(a).由来(b).目标与任务里程碑：2004年英国剑桥特邀会议将微观(micro-)土力学与宏观（macro-）土力学相结合，解决岩土力学中的核心/疑难问题，从而产生岩土工程新的技术、工艺和设计方法。

TC35：研究主题磨刀-砍柴2.

宏微观土力学的基本研究思路(b).顺式(a).逆式(1)剪胀机制引入到本构关系中去（沈珠江

1998）(2)微观组构引入到本构关系中去

(Li＆

Dafalias2004;Lashkari&Latifi2007)(3)多重剪切机制的本构理论

(Li&Chen1990;Pande&Sharma1983;Chang&Sture2006;Owolabi&Singh2007)针对岩土力学中的核心/疑难问题，以离散元（DEM）为桥梁，从微观(micro-)土力学走向宏观（macro-）土力学。

离散元（DEM）？离散元（Discreteelementmethod

，DEM),

一种数值方法(a)土体►►离散材料集合体(b)**

颗粒间接触的本构关系(c)☺☺不同荷载下集合体的宏观和微观响应离散元（DEM）？本质上,DEM由以下条件决定(a)控制方程►►牛顿第二定律(f=ma)(b)颗粒间接触的本构关系Simple

intheory!

3.宏微观土力学的的研究进展(a).微观本构关系(i).考虑颗粒间接触面积图1.针对抗转动颗粒提出的接触模型JiangMJ（）,YuH-S,HarrisD.Anoveldiscretemodelforgranularmaterialincorporatingrollingresistance.ComputersandGeotechnics,2005;32(5):340-357(SCI/EI收录)（曾为ScienceDirect全球“下载最多”第二名）lbondstrengthTangentialbondstrength

图2.针对粘结颗粒提出的简单接触模型(ii).考虑颗粒间胶结影响JiangM.J.（）,YuH-S,LeroueilS.(2007)Asimpleandefficientapproachtocapturingbondingeffectinnaturally-microstructuredsandsbyDiscreteElementMethod.InternationalJournalforNumericalMethodsinEngineering,69:1158-1193.解决方案（b）试验测试方案（a）胶结颗粒模型12mm50mm0.6mm3mm压压剪扭扭剪压拉图3粘结颗粒简单接触模型的验证试验图4剪切测试安装图JiangMJ（）,YanH.B.Micro-contactlawsofbondedgranularmaterialsforDEMnumericalanalyses.ThirdAsian-PacificCongressonComputationalMechanicsinconjunctionwithEleventhInternationalConferenceontheEnhancementandPromotionofComputationalMethodsinEngineeringandScience.(APCOM’07-EPMESCXI).4-5December2007,Kyoto,Japan(inpress).Capillarywater(CW)SpringSpringCWsliderBondduetoCWDividerLoadsliderDashpotDashpotNormalcontactmodelTangentialcontactmodel图5针对毛细水提出的接触模型(iii).考虑粒间毛细水JiangM.J.（）,LeroueilS.andKonradJ.M.(2004).InsightintostrengthfunctionsinunsaturatedgranulatebyDEManalysis.ComputersandGeotechnics,31(6):473-489图6.

三种砂在不同放大倍率下的扫描电子微观照片.(AfterAlshibliandAlsaleh2004)(iv).考虑颗粒表面粗糙糙MingjingJiang（）,SergeLeroueil,HehuaZhu,Hai-SuiYuandJean-MarieKonrad.(2007)ATwo-dimensionalDiscreteElementTheoryforRoughParticles.JournalofGeomechanics,ASCE(acceptedforpublication)(b).宏微观土力学的研究进展主应力张量和主塑塑性变形率张量的的非共轴性图7.砂土的非共轴特性

(datafromIshiharaandTowhata1983)(i)非共轴本构关系主应力旋转：基坑坑开挖。。。不可压缩材料的运运动模型,用运动方程表达如如下(Harris,1995)其中

主应力倾角

内摩擦角

wherethesummationsareovertheNcontactsinthemassbody,bycountingeachcontact,whichissharedbytwoparticlesofradiiand,theangularvelocityand.Thecommonradiusis.??

角速度

=>‘微观纯转动速率平均值’

(APR)图8DEM验证中使用的粒径分布(a);单剪阶段的边界条件(b).

图9松散/中密度试样的实测测APRs和DEM模拟单剪试验中由由DSR模型预测的APRs.JiangM.J.（）,HarrisD.andYuH.-S.(2005).Kinematicmodelsfornon-coaxialgranularmaterials:PartII:evaluation.Int.JournalforNumericalandAnalyticalMethodsinGeomechanics,29(7):663–689.理论+验证试验=Spencer(1964):双剪理论deJosselindeJong(1971):双滑自由转动模型型JiangM.J.（）,HarrisD.andYuH.-S.(2005).Kinematicmodelsfornon-coaxialgranularmaterials:PartI:Theory.Int.JournalforNumericalandAnalyticalMethodsinGeomechanics,29(7):643–661.(ii)非饱和土有效应力力的定义Long-termargument!►►Strengthhere!whereandarethecontactforcevectorandthecontactorientationvector,exertedupontheperipheralparticlesalongtheassembly’sboundaryS.

统一有效应力:

由荷载与毛细水（CW)产生的粒间作用力组成(Jiang（）etal2003)注意:毛细水产生的粒间间作用力(Fisher1926),包括:基质吸力引起的作作用力(Su)和表面张力(T)。(T在非饱和土力学中中被忽略)Sinf=0.46f=27.4ofr=21.6o(b)Sinf=0.44f=26.2ofr=20.1o图10用统一有效应力表述的不同吸力/围压下DEM试样的强度包线:分布A(a)&B(b).JiangM.J.（xx）,LeroueilS.andKonradJ.M.(2004).InsightintostrengthfunctionsinunsaturatedgranulatebyDEManalysis.ComputersandGeotechnics,31(6):473-489验证过程+检验当前的强度函数+适当的非饱和土强度函函数图11.天然砂的粒间粘结:深层绿砂的SEM照片(afterCuccovillo&Coop,1997).

InterparticlebondingVoidParticles0.5mm(iii)Coop&Wilson准则（2003）上海软土。。。ParticleBond200mm183mmLargevoidLargevoid图12.DEM测试中使用的一个个典型粘结试样.图13.在压缩中影影响粘结作作用的因素素:粘结强度(a);垂直压缩线线的位置(b);初始密度(c).(Coop&Willson2003)DEMJiangM.J.（xx）,YuH-S,LeroueilS.(2007)Asimpleandefficientapproachtocapturingbondingeffectinnaturally-microstructuredsandsbyDiscreteElementMethod.InternationalJournalforNumericalMethodsinEngineering,69:1158-1193.模拟过程;与实验数据据对比(Rottaetal.2003.Géotechnique53(5):493-502)?????(iv)粒状材料本本构模型之之展望圆锥触探试试验:现场测试,►►土的分类和土的属性…复杂边界值值问题:(a)土与触探仪仪接触面的的大相对滑移移(b)土的大变形(c)触探仪周围围场变量的的大梯度(d)相关土经历历复杂的应力力路径粒状材料触触探试验分分析的有限限元法,弹-刚塑性MC模型,????浅贯入深贯入(1)图14.DEM模拟中观察到的贯入过程深贯入

(2)深贯入(1)图15.DEM分析中点(x,y=2R,11R)观察到的应应力路径模拟过程;其他现场和和应力路径径观测结果果;与近期土力力学知识对对比.用于触探试试验分析的的粒状材料料本构模型型之展望:(a)剪胀性,(b)率相关性,(c)非共轴性,和(d)颗粒破碎.xx,用于触探试试验分析的的粒状材料料本构模型型之展望.岩土工程学学报,2007,29(9):1281-1288.JiangM.J.,HarrisD.,ZhuH.H.(2007).