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MingjingJiang（）,SergeLeroueil,HehuaZhu,Hai-SuiYu

andJean-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性变形率张量的非共轴性图7.砂土的非共轴特性

(datafromIshiharaandTowhata1983)(i)非共轴本构关系主应力旋转：基坑开挖。。。

不可压缩材料的运动模型,用运动方程表达如下

(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/中密度试祥样的实测APRs和DEM模拟单剪残试验中由DSR模型预测其的APRs捞.Jian忙gM.伟J.（）,Har遮ris陶D.盒an胖dY钢uH东.-S叮.(蔑200越5).Kin己ema摩tic垂mo宜del渡sf活or张non州-co安axi丧al些gra温nul型ar厚mat益eri援als隐:Part采II:eva臣lua圈tio抱n.Int灭.J厅our宿nal它fo酒rN主ume岗ric场al伤and室An泪aly碑tic松al巾Met垃hod垦si将nG搬eom抄ech同ani弊cs,29阅(7):泡663老–6也89.理论+验证试验=Spen棍cer(19撤64)愁:双剪理论deJ循osse纺lin每deJ晃ong(19熄71)课:双滑自余由转动岸模型Jia强ng痰M.J轮.（）,Har从ris新D.嘱an偷dY鉴uH第.-S范.(头200到5).Kin挣ema休tic疑mo该del死sf妹or钳non兵-co奖axi铲al监gra蛛nul蠢ar昏mat圆eri忆als鸟:Par预tI粒:T责heo总ry.Int受.J愚our秃nal旨fo荷rN感ume六ric畏al扔and瞒An枣aly暗tic仍al发Met蜓hod峰si愉nG赞eom否ech徒ani皱cs,2茧9(7拌):脸643思–叙661挪.(ii)非饱和确土有效屿应力的慢定义Long罚-ter转mar东gume戒nt!►►Stre垄ngthhere府!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:毛细水车产生的常粒间作亏用力(Fis掀her192靠6),包括:基质吸力匆引起的作叮用力(Su)和表面张烘力(T)。(T在非饱和善土力学中登被忽略)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).Jia半ng蜂M.J坝.（xx）,Ler艺oue舞il弄S.洞and侧Ko忆nra漆dJ减.M.鞠(2昨004蛋).Ins田igh摄ti冻nto箭st祥ren马gth迫fu宅nct泡ion复si梁nu倘nsa蹄tur桌ate此dg把ran乐ula窜te启by可DEM态an仗aly岂sis.Comp虚uter燃san角dGe别otec井hnic洒s,31炮(6):辱473朗-489验证过机程+检验当前的共强度函虽数+适当的非饱和甲土强度函丹数图11.天然砂的粒间粘结:深层绿砂的SEM照片(afterCuccovillo&Coop,1997).

InterparticlebondingVoidParticles0.5mm(iii房诚)Coop撞&W倦ilso粘n准则触（200衔3）上海软劈燕土。。毒。ParticleBond200mm183mmLargevoidLargevoid图12.使DEM测试中使帐用的一个劳典型粘结前试样.图13.在压缩蓝中影响僻粘结作准用的因清素:粘结强藏度(a)绑;垂直压缩洪线的位置(b);初始密遇度(c)郑.(Co临op来&W绑ill萄son垮20停03)DEMJia晒ng盆M.J州.（xx）,Yu稿H-S贝,L瞎ero零uei馆lS侧.(短200沸7)As饮imp猛le确and献ef搁fic眠ien忘ta没ppr与oac份ht坚oc土apt减uri哑ng北bon喇din专ge危ffe展ct社in液nat漫ura疮lly轿-mi旋cro厅str约uct大ure馅ds文and甩sb丹yD纺isc羊ret掠eE陈lem会ent山Me踪蝶tho搅d.Int白ern颠ati锯ona坏lJ径our吩nal盏fo键rN海ume挥ric妙al屈Met吉hod梁si获nE植ngi愁nee盾rin化g,6狮9:封115脂8-1亦193康.模拟过米程;与实验蜜数据对打比(Rott骨aet豆al.示200姜3.Gé贝otec骆hniq哭ue5顶3(5)货:49复3-50课2)??饺???(iv膨)粒状材归料本构波模型之毫展望圆锥触滴探试验:现场测共试,►►土的分刻类和土的属性…复杂边删界值问辣题:(a)土与触抖探仪接译触面的大相对心滑移(b)土的大变形(c)触探仪周阵围场变量酬的大梯度(d)相关土乳经历复杂的应杠力路径粒状材交料触探败试验分扫析的有猛限元法,弹-刚塑性MC模型,??纪??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.甩DEM分析中循点(x,烧y宵=2粥R,辅11R券)观察到的朽应力路径模拟过程;其他现攻场和应怖力路径迅观测结退果;与近期产土力学芦知识对矿比.用于触肿探试验篇分析的监粒状材捐料本构挖模型之柿展望:(a)剪胀性,(b)率相关镰性,(c)非共轴性,和(d)颗粒破黑碎.xx,用于触模探试验兴分析的书粒状材维料本构飞模型之颗展望.岩土工柳程学报,200研7,2遵9(9)粥:12根81-1繁288.Jian渡gM.绍J.,Harr娘isD彼.,Zhu农H.H.(2团