现代土力学研究的新视野——宏微观土力学

论文摘要

随着岩土工程领域的不断拓展,特别是在深地、深海、深空工程("三深工程")方面需要面对更多复杂的岩土材料和环境条件。基于连续介质和唯象的常规土力学理论与方法在描述岩土材料的非连续性、大变形和破坏等复杂特性以及复杂环境影响上有许多缺陷。宏微观土力学力图从本质上探求岩土材料复杂宏观特性的微细观机理,建立其多尺度分析理论与方法,解决岩土力学与工程中的疑难与关键问题,从而帮助提高工程设计水平。本文回顾了宏微观土力学近40 a的发展历程,从宏微观土力学的研究方法、理论和应用等方面综述了国内外学者的主要研究成果,包括典型土体的微观特性、微观本构理论、宏微观关联、基于微观机制的宏观本构理论等。研究土体包括陆地上黏土、结构性砂土、黄土、深海能源土和太空土(月壤)。重点阐述了宏微观土力学的重要研究手段之一的离散单元法在模拟陆、海、空疑难岩土力学与工程中的应用与拓展,探讨了宏微观土力学研究所面临的各种挑战和重大机遇。通过系统介绍上述研究成果,勾勒了宏微观土力学的基本框架,以期推动该研究方向的加速发展。

论文目录

0 引言

1 宏微观土力学的产生与发展

2 宏微观土力学的主要研究方法

2.1 微观试验方法

（1）微观结构测试试验

（2）颗粒间接触试验

（3）单颗粒破碎试验

2.2 离散单元法

（1） DEM模拟方法

a) 颗粒形状的选择

b) 颗粒级配及数量

c) 制样方法

d) 接触模型与参数选取

（2）基本微观接触模型

a) 无胶结接触模型

b) 软胶结接触模型

c) 硬胶结接触模型

d) 软硬复合胶结接触模型

（3）离散元耦合方法与技术

a) 流固耦合

b) 热力耦合

c) 连续–非连续方法耦合

3 宏微观土力学的基础研究

3.1 微观试验研究

（1）典型土体的微观结构

a) 黏土

b) 结构性砂土

c) 湿陷性黄土

d) 深海能源土

e) 月球土壤

（2）颗粒间接触响应

（3）单颗粒破碎特性

3.2 典型土体微观本构理论

（1）黏土微观本构

（2）结构性砂土微观本构

（3）黄土微观本构

（4）深海能源土微观本构

（5）月壤微观本构

3.3 土体疑难与关键特性的微观机制

（1）各向异性

（2）应变局部化

（3）黄土湿陷性

（4）砂土结构性

（5）砂土流变性

（6）砂土液化特性

（7）深海能源土的“反压依赖性”

（8）月壤的“太空效应”

4 基于微观机制的宏观本构模型发展

4.1 宏微观关联

（1）传力机制与强度准则

（2）组构各向异性与剪胀性

（3）颗粒破碎与屈服面

（4）毛细力与广义有效应力

（5）胶结破损与结构损伤

a) 破损参量的微观表达

b) 经典结构性土本构模型破损规律离散元验证

（6）胶结破损规律

4.2 基于微观机制的宏观本构模型

（1）砂土双剪类运动模型

（2）结构性砂土本构模型

a) 屈服函数

b) 应力–剪胀关系或塑性势面

c) 临界状态特征

d) 硬化规律

e) 模型有效性验证

（3）结构性土本构模型的拓展

a) 非饱和结构性黄土

b) 深海能源土本构模型

5 宏微观土力学的应用基础研究

5.1 陆地工程

（1）原位测试

（2）隧道工程

（3）挡墙工程

（4）堤坝管涌

（5）边坡工程

5.2 深海工程

（1）水合物安全开采模式

（2）深海能源土开采桩基承载力

（3）含能源土层的深海滑坡

5.3 深空工程

（1） TJ-1模拟月壤

（2）原位测试

a) 月面静力触探试验

b) 载荷试验

（3）月壤–设备相互作用

a) 车轮–月壤相互作用

b) 开挖设备–月壤相互作用

（4）月面滑坡灾害

6 宏微观土力学在岩石力学中的应用

6.1 裂隙岩体的破坏特性

6.2 化学风化与水软化岩石的破坏特性

6.3 滚刀破岩

6.4 岩质节理边坡

7 机遇与挑战

文章来源

类型: 期刊论文

作者: 蒋明镜

关键词: 宏微观土力学,微观试验,离散单元法,宏微观关联,本构模型,疑难土,三深工程

来源: 岩土工程学报 2019年02期

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅱ辑,基础科学

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 天津大学建筑工程学院土木工程系,天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,同济大学土木工程学院地下建筑与工程系

基金: 国家自然科学基金重大研究项目(51890911),国家自然科学基金重点研究项目(51639008)

分类号: TU43

页码: 195-254

总页数: 60

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