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Mi拢ng坏ji丧ng奇J够ia亭ng（）,美Se的rg鹿e闻Le浪ro献ue低il,He勺hu口a迎Zh绸u,蹈H淋ai毫-S舱ui院Y逆uan励d处Je融an亏-M移ar急ie烛K速on顺ra每d.(2丹00堵7)A雅Tw笼o-渡di消me秒ns略io尖na齐l霸Di胀sc例re幅te脊E使le哭me棚nt箩T泛he危or神y这fo读r道Ro然ug贼h诞Pa感rt件ic梦le风s.Jo臂ur踏na可l熔of亏G柄eo黑me痛ch震an低ic章s,透A恒SC货E(a洽cc咸ep壳te佳d申fo坟r恨pu讲bl她ic附at渴io耐n)(b饺).宏微价观土楼力学废的研究金进展主应要力张祸量和盒主塑跪性变惑形率嚷张量码的非悠共轴宗性图7.砂土的非共轴特性

(datafromIshiharaandTowhata1983)(i狸)非共法轴本构颜关系主应积力旋专转：瞒基坑灯开挖晓。。迷。不可明压缩父材料斑的运淘动模存型,用运筛动方帐程表足达如饱下(H离ar盈ri控s,值1谜99点5)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/中密盐度试给样的首实测AP骆Rs和DE罗M模拟赢单剪鲜试验梅中由DS壶R模型臂预测门的AP似Rs牌.Ji竖an喂g柄M.织J.（）,Ha哄rr仗is哈D昌.昏an卖d支Yu航H修.-丈S.莲(碍20歪05亦).Ki续ne壁ma厕ti换c添mo京de潜ls抢f遇or疫n央on杆-c种oa绵xi旱al瓣g显ra扩nu茎la份r惭ma算te虽ri望al临s:Pa温rt律I唉I:ev合al慢ua吗ti档on.In唇t.楼J黄ou声rn陕al申f股or球N嚷um构er恳ic塔al悠a盟nd洒A河na准ly变ti狭ca待l们Me工th声od侮s厌in录G以eo箩me托ch振an竿ic淋s,范29匀(7萄):跪6挡63纯–钳6还89撤.理论+验证址试验=Sp割en图ce店r(1带96索4)著:双剪箱理论de鼓J针os隙se圈li台n洽de某J庆on肚g(1炊97妥1)犹:双滑凑自由型转动厕模型Ji惜an匹g痒M.无J.（）,Ha旱rr柔is致D均.矮an烤d膏Yu较H踩.-辣S.思(喜20忆05热).Ki隐ne科ma耍ti蔽c陪mo坟de蕉ls贸f缓or签n敌on逮-c签oa在xi穷al铲g赶ra耻nu忘la捧r小ma卧te错ri烂al谈s:Pa详rt租I瘦:呀Th卸eo已ry.In注t.召J泉ou什rn浮al宰f腾or茎N获um疑er脸ic叼al歇a省nd虽A迷na较ly变ti挪ca貌l沿Me蚕th监od通s灯in崇G座eo概me公ch慎an穗ic添s,烫29棒(7吃):瓦6谅43垂–节6盯61患.(i方i)非饱仿和土矩有效宿应力挥的定娱义Lo泳ng谨-t齿er楚m姥ar秘gu榨me粪nt!►阁►St异re桑ng湾thhe夕re手!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:毛细丙水产悟生的乌粒间芦作用毅力(F聪is建he僻r19肆26病),包括:基质偶吸力挂引起让的作微用力(S江u)和表朴面张潮力(T)。(T在非姜饱和骑土力备学中许被忽录略)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).Ji返an棒g蹲M.欲J.（xx）,Le哭ro津ue叛il天S瞎.馋an剧d训Ko乒nr垒ad南J兄.M股.筑(2僚00芦4)菊.In床si颜gh棚t闭in死to予s支tr肯en腐gt度h注fu折nc莫ti琴on便s乞in坝u绪ns炸at仁ur功at交ed芒g斩ra回nu疑la运te谎b验y旦DE承M印an姨al金ys锦is.Co稠mp脱ut颗er膨s怠an捧d矩Ge药ot定ec椒hn柜ic路s,封31桨(6添):挡4陵73拐-4扫89验证伙过程+检验当前帝的强扯度函需数+适当的非撑饱和变土强爬度函范数图11.天然砂的粒间粘结:深层绿砂的SEM照片(afterCuccovillo&Coop,1997).

InterparticlebondingVoidParticles0.5mm(i非ii败)Co驱op物&引W趟il腥so杏n准则断（20稻03）上海促软土奸。。酒。ParticleBond200mm183mmLargevoidLargevoid图12显.轰DE袭M测试总中使其用的宣一个斧典型嘱粘结未试样.图13宗.在压刃缩中逆影响横粘结拣作用衫的因漏素:粘结皮强度(a宿);垂直虎压缩甜线的立位置(b拉);初始园密度(c躬).(C叠oo阴p踪蝶&博Wi拢ll坑so什n街20见03签)DEMJi净an缓g肠M.物J.（xx）,Yu加H病-S水,纱Le红ro辆ue秆il飘S增.各(2西00景7)A姑si粗mp背le做a长nd羡e咏ff锄ic盗ie烘nt枯a毙pp颜ro步ac权h颠to帅c冠ap氧tu搅ri纷ng山b祝on股di梳ng木e逐ff突ec沈t聚in背n挨at庙ur图al阀ly驻-m宰ic叮ro风st刘ru啄ct抄ur笛ed恒s膀an米ds获b序y毅Di斯sc拢re农te饼E如le况me该nt尽M申et夫ho之d.In单te府rn涝at炕io烂na牵l渗Jo阿ur凶na疗l耻fo辩r末Nu辟me蹄ri勾ca蝴l眉Me牵th己od料s接in剧E荒ng来in磨ee牵ri蕉ng,景69矩:努11韵58画-1周19必3.模拟薄过程;与实挤验数港据对蚂比(Ro钢tt央a枝et煌a用l.岛2域00未3.极Gé米ot描ec虫hn利iq研ue估5古3(继5)成:嘱49纪3-径50摘2)需??拣??漂?(i锹v)粒状炮材料里本构惠模型方之展僻望圆锥蛛触探膜试验:现场争测试,►寇►土的美分类和土的恰属性…复杂厌边界杨值问仰题:(a偶)土与借触探壁仪接沾触面狂的大相乳对滑墓移(b孔)土的大变普形(c慈)触探泛仪周铲围场欲变量窑的大梯寇度(d选)相关阔土经撕历复杂率的应年力路扛径粒状胖材料筛触探压试验猜分析庆的有匙限元族法,弹-刚塑平性MC模型,弱??膛??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咏.饱DE昏M分析弱中点(x斯,尘y既=貌2R冻,普11付R)观察欺到的负应力汗路径模拟被过程;其他描现场备和应恢力路法径观拼测结夏果;与近演期土久力学遵知识临对比.用于刺触探愉试验往分析掏的粒控状材盘料本握构模跪型之痰展望:(a仪)剪胀北性,(b案)率相法关性,(c扩)非共薯轴性,和(d阀)颗粒及破碎.xx,用于齐触探霉试验马分析烤的粒查状材亏料本券构模喊型之构展望.岩土屿工程脆学报,2震00布7,横2盼9(聚9)尼:航12掩81众-1计28品8.Ji榜an刘g呜M.赌J.猴,Ha栗rr上is列D资.,Zh彻u单H.午H.誓(2敏00纠7)界.Fu恭tu星re澡c豆on抓ti篮nu差um肆m丛od家el狱s解fo放r批gr朗an蚊ul业ar尼m应at池er魂ia脖l