水利学报
SHUILI XUEBAO
2013年7月
文章编号：0559-9350（2013）07-0772-07
收稿日期：2013-01-13
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51179059）；江苏高校优势学科建设工程资助项目（PAPD）
作者简介：王子健（1987-），男，江苏镇江人，博士生，主要从事土石坝工程和土石料强度与变形研究。
E-mail：wwzzjj618@https://www.doczj.com/doc/ea14534597.html, 第44卷第7期
不同应力路径下颗粒材料细观结构分析
王子健，刘斯宏，王怡舒，孔维耀
（河海大学水利水电学院，江苏南京210098）
摘要：用离散单元法对颗粒材料的双轴压缩试验进行了模拟，分析了不同应力状态时颗粒材料细观结构的发展规律。由经典土力学中土体骨架的细观表达出发，延伸出一种表述结构力链的数学统计参数。研究了该参数在不同应力路径下的变化趋势，验证了该参数对于描述颗粒材料细观结构的合理性，并从细观结构的角度解释了破坏滑动面产生的原理。通过定量描述加载过程中土体内部力链结构的变化，建立细观与宏观之间的关系，从细观机理上解释了宏观试验中破坏滑动面一般呈现45°+φ/2左右的事实，为今后从细观结构角度研究土体宏观特性提供了一个新的思路。
关键词：细观结构；颗粒材料；离散单元法；力链；土体骨架；应力路径
中图分类号：TU431文献标识码：A
1研究背景
颗粒材料是由离散颗粒组成，其宏观力学特性主要取决于细观层次的颗粒联结和颗粒排布。岩土体细观结构的研究一直是岩土工程界研究的热点，国内外许多学者从不同角度开展了一系列的研究工作。早在20世纪20年代，土力学奠基人Terzaghi首先提出了黏土的“蜂窝状结构”，其微细观结构的思想是岩土体细观结构研究的开端。Oda［1］率先研究了三轴压缩试验中材料细观结构的变化规律，他将砂土的三轴压缩试验试样经固化处理后从不同的方向切成薄片，然后观察颗粒接点数按接触角的分布，发现颗粒接点数在剪切过程中向大主应力方向集中。Matsuoka［2］基于光弹材料及圆铝棒的直剪试验结果，从颗粒接触点角变化规律出发，推导出了滑动面上的应力剪胀关系方程。蒋明镜等［3］基于结构性黏土三轴试验，研究了剪切滑动带形成的宏观力学条件及其剪切带倾角。谢定义等［4］依据土力学研究的方法，提出综合结构势的概念，揭示了土结构可稳性与可变性耦合变化的机制。殷宗泽等［5］采用微型“潜望镜”装置研究了大型接触面直剪试验中土与结构相对位移沿剪切方向的分布。
早期的颗粒材料细观结构的研究主要是基于试验或者是理论推导的基础上，而随着离散单元法（distinct element method，DEM）的提出，DEM数值模拟也成为了研究细观结构的行之有效的手段。
DEM是将颗粒材料认为是离散介质，将加载时间分成若干时间步长，不断更新每个时间步长离散单元的信息，包括位置、位移、速度、加速度、接触力和发挥的摩擦角等，该方法直接建立在牛顿第二定律的基础上，从而避免了连续介质理论中本构模型的建立，特别适用于颗粒材料的细观结构力学性质研究。前人已用DEM在岩土工程领域进行了大量的研究工作，刘斯宏等人曾用DEM研究了土体的应力剪胀方程［6-7］、湿化机理［8-9］和斜坡破坏机理［10-11］。周健等［12］和刘洋等［13-14］曾用DEM进行了砂土剪切带形成及发展规律、渗流细观力学模拟等方面的研究。李世海等［15］、王涛等［16］和魏群［17］在岩
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