《各向異性粒狀材料細觀變形機制研究》是依託北京科技大學，由張連衛擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：各向異性粒狀材料細觀變形機制研究
- 依託單位：北京科技大學
- 項目負責人：張連衛
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
以砂土等各向異性粒狀材料為對象，基於實際砂土三軸試驗，採用理想材料雙軸壓縮與直剪試驗，結合離散單元法等數值方法，模擬粒狀材料在定向剪下與應力主軸旋轉等條件下的力學回響，從巨觀與細觀兩個角度探討粒狀材料強度與變形的各向異性規律，揭示粒狀材料的組構演化規律與變形機理，建立能較好描述實際砂土各向異性力學行為的本構模型。擬以管狀金屬棒堆積形成理想二維粒狀材料，開發基於數字圖像的顆粒識別與運動跟蹤技術，以顆粒長軸與接觸法線方向的統計分布與空間分布為狀態變數，以顆粒之間的滑移與滾動作為運動變數，通過雙軸壓縮與直剪試驗探討應力主軸方向固定與旋轉條件下粒狀材料的細觀變形機制；開發新的離散元算法並以理想材料試驗進行驗證，模擬複雜應力路徑下各向異性粒狀材料的力學回響，探討組構演化規律與變形機理；在此基礎上，引入合理描述組構演化規律的狀態變數，基於多機構模型概念，建立較好描述粒狀材料各向異性力學行為的本構模型。
結題摘要
本課題以砂土等各向異性粒狀材料為研究對象，採用二維理想粒狀材料模擬，試圖深入地探究粒狀材料從小變形到破壞的細觀組構演化規律，取得的主要成果有： （1）研製了一套新的適用於二維理想粒狀材料的雙軸壓縮試驗系統，包括試驗材料、試驗設備與測試技術。該試驗系統的主要優點在於能夠連續地跟蹤試樣的細觀組構演化過程。開發了基於數字圖像技術的細觀組構分析方法與程式，具有顆粒識別、接觸搜尋與組構分析等功能，精度與效率均較高。此外，還利用新開發的可模擬橢圓形顆粒的離散元程式，對二維理想粒狀材料雙軸壓縮試驗進行了數值模擬，兩者較為吻合，證實了該離散元程式的有效性。 （2）基於系統的雙軸壓縮試驗與深入的細觀組構分析，揭示了各向異性粒狀材料的細觀組構演化與巨觀破壞行為之間的內在聯繫及其物理機制：①剪應變較小時，顆粒長軸與接觸法線的定向分布無明顯變化，接觸力的變化是比接觸法線方向變化更為敏感的表述密實狀態下粒狀材料組構演化的參數；②明顯存在著一個卓越剪下方向，隨剪應變增大，顆粒長軸呈現出向該方向偏轉的趨勢；卓越剪下方向與沉積面方向（顆粒長軸優勢方向所處的面）關係不大；較大應變時沿卓越剪下方向會形成剪下帶；③沿卓越剪下方向在相對狹窄的範圍內開始出現應變局部化時，發揮出的抗剪強度達到峰值；剪下帶完全形成時，抗剪強度達到殘餘值；④粒間滑移與偏轉對強度的影響程度因沉積面方向的不同而變化；當卓越剪下方向與沉積面平行或接近平行時，細觀破壞以滑移為主；隨著卓越剪下方向與沉積面之間夾角的增大，偏轉所占成分增加；顆粒偏轉程度的不同是導致峰值強度各向異性的主要原因。 （3）基於本文所揭示的各向異性粒狀材料的細觀破壞機制，通過推廣Matsuoka等提出的空間滑動面（SMP）概念，建立了一個物理概念明晰的三維各向異性強度準則，採用已有試驗結果初步驗證了該強度準則的有效性和較為廣泛的適用性。 （4）基於新的各向異性強度準則，提出了一種可以考慮強度各向異性的主動土壓力計算方法，研製了一套適用於理想粒狀材料的主動土壓力離心模型試驗設備與測試技術，通過離心模型試驗驗證了所提出的計算方法的有效性。此外，還針對均質土坡，分析了強度各向異性對邊坡穩定性的影響。結果表明，岩土強度各向異性對邊坡安全係數有一定影響，但對臨界滑裂面的位置無顯著影響。
