考虑颗粒破碎效应的土-结构接触面动态亚塑性模型研究

本文推荐一篇创新性研究，提出了一种整合颗粒破碎（grain breakage）和粒间应变（IS）的动态亚塑性（hypoplastic）模型。通过引入随相对破碎率Br变化的临界状态线（CSL），该模型成功模拟了循环荷载下土-结构接触面（SSI）的强度退化与剪胀抑制行为，为超深覆盖层工程中的变形控制提供了理论工具。

　　

Highlight

典型边界条件下的土-结构接触面响应

土-结构接触面（SSI）的力学行为受法向应力水平、孔隙比和结构面粗糙度等多因素影响。密实土体在低法向应力下表现为剪胀软化，而高应力下则呈现压缩硬化。随着循环次数增加，从松散到密实状态的土体均会逐渐转向压缩响应。

基础亚塑性模型

基于亚塑性理论框架，Jaumann应力率σ?通过刚度张量与应变率张量的内积表达：σ? = [L(σ) + N(σ)????] : ??。其中L和N分别为线性和非线性张量函数，ω为旋转张量，M为增量切向刚度张量。

参数分析

模型参数分为三组：（1）基础模型参数φ_c、r、e_c0、λ和α；（2）颗粒破碎参数b₁、b₂和k_b，分别控制塑性功-破碎率曲线形态和CSL移动；（3）粒间应变参数R、m_R、m_T、β_r和χ，用于量化刚度历史效应。

模型预测

通过模拟砾石-混凝土/钢接触面单调试验及砂-土工合成材料循环试验，验证了模型对颗粒破碎诱导的累积变形和强度退化的预测能力。参数敏感性分析揭示了b₁和k_b对破碎演化的主导作用。

结论

该模型通过整合相对破碎率B_r与粒间应变（IS），首次在亚塑性框架内实现了循环荷载下颗粒破碎效应的动态表征。可变形临界状态线（CSL）的引入，为量化破碎导致的强度衰减和压缩性变化提供了新范式。