【摘 要】
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砂土是典型的颗粒固体。颗粒固体在不同尺度下的行为具有不同的物理机制,但又存在着紧密关联。决定颗粒固体宏观力学性质的不仅仅是颗粒组成,还取决于颗粒间相互作用的细观结构。揭示颗粒固体宏观力学性质机理,需要了解颗粒固体的细观特征,还需要建立宏细观尺度的力学关联。但是,直接建立这种跨尺度关联是困难的。近年来,随着介尺度理论的研究深入和一些新兴测试技术的运用,使得固体颗粒和颗粒间细观结构特征能够得到更加精细
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砂土是典型的颗粒固体。颗粒固体在不同尺度下的行为具有不同的物理机制,但又存在着紧密关联。决定颗粒固体宏观力学性质的不仅仅是颗粒组成,还取决于颗粒间相互作用的细观结构。揭示颗粒固体宏观力学性质机理,需要了解颗粒固体的细观特征,还需要建立宏细观尺度的力学关联。但是,直接建立这种跨尺度关联是困难的。近年来,随着介尺度理论的研究深入和一些新兴测试技术的运用,使得固体颗粒和颗粒间细观结构特征能够得到更加精细的探测和表征。应力波是一种探测手段,其在颗粒固体传播过程中携带了大量颗粒及颗粒与颗粒间的相互作用信息,使之能够成为沟通颗粒固体宏细观尺度的桥梁,进而揭示颗粒固体宏细观尺度的关联,具有重要的研究意义。本文基于理想球形颗粒体系和经典弹性接触理论,建立球型颗粒固体模量-细观参量-颗粒模量三者间的关系表达式,借助应力波传播理论,构建了等球颗粒固体的宏细观关联;并基于此,引入考虑颗粒形状的整体规则性参数ξ 和修正接触刚度,构建了等椭球颗粒固体的应力波响应宏细观关联;将其引入至干砂颗粒体系,初步揭示了干砂应力波响应的宏细观机制,并分析了其影响因素。主要研究和成果如下:（1）基于Hertz-Mindlin颗粒接触模型与弹性力学理论,通过确定与提取等球形颗粒固体的细观参量;建立了颗粒固体模量-细观参量-颗粒模量三者间的关系表达式,并借助应力波传播理论,构建了等球颗粒固体的宏细观关联。开展等球形颗粒固体的应力波波速试验,检验其宏细观关联机制的合理性。结果表明:理论预测的等球形颗粒固体的剪切波速和压缩波速与实测值吻合,误差在5%范围内。（2）基于所构建的等球颗粒固体的宏细观关联,引入考虑颗粒形状的整体规则性参数ξ ,修正颗粒接触刚度;基于椭球堆积理论,探讨了椭球形颗粒紧密堆积的平均配位数,建立了椭球颗粒固体模量-细观参量-颗粒模量三者间关系表达式,并借助应力波传播理论,构建了等椭球颗粒固体的宏细观关联。开展等椭球颗粒固体的应力波波速试验,检验其宏细观关联机制的合理性。结果表明:理论预测的等椭球颗粒固体的剪切波速和压缩波速与试验实测结果较吻合,误差在10%范围内。（3）基于所构建的等椭球颗粒固体的宏细观关联,获取干砂颗粒形状的整体规则性参数ξ ,修正干砂颗粒固体平均配位数。通过开展干砂的应力波波速试验,初步揭示了干砂应力波响应的宏细观机制,并探讨了颗粒个体、细观组构和外力条件对干砂应力波响应宏细观关联构建的影响。
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