各向异性二元混合料的宏微观力学性质：基于离散元法的沉积角、颗粒含量与形态耦合效应研究

《Computers and Geotechnics》：Macro- and micro-scale mechanical properties of anisotropic binary mixtures: A DEM study

本文采用离散元法（DEM），系统研究了沉积角、粗粒含量和颗粒形态耦合作用下固有各向异性二元混合料的宏微观力学行为。重点聚焦于应力-力-结构关系，并提出了量化强接触定向承载效率的新描述符Pseff，发现其与几何各向异性acsn及宏观应力比σd/σm存在一致的同调线性关系，共同揭示了剪切优化力链网络的演化，为建立本构模型提供了理论基础。

　　

Highlight

DEM建模

本研究采用应用广泛的DEM软件PFC^3D进行数值建模，以模拟不同条件下二元颗粒混合料的复杂行为。系统性地制备了试样，以研究初始各向异性、粗粒含量和颗粒形态对宏微观力学响应的耦合效应。模拟试样由粗颗粒和细颗粒组成。所有细颗粒均为球形（AR = 1.0），而粗颗粒的纵横比（Aspect Ratio， AR）则作为变量参数。

宏观变量定义

根据常规三轴试验，立方体试样通过顶板以恒定慢速向下移动进行轴向压缩，同时伺服控制的侧向墙体保持恒定的围压σ₃= 200 kPa，如图4(b)所示。该加载方案模拟了标准排水三轴条件，其中所有试样均通过无摩擦初始化达到相同的初始孔隙率，而不论其沉积角α、粗粒含量W和颗粒形状如何变化。

微观行为

如第3章所述，各向异性二元混合料的宏观力学响应源于其微观结构的演化。本章旨在深入探究其微观机制。值得注意的是，鉴于W = 85%的试样表现出显著的各向异性响应，如图10所示，后续的微观结构分析将选用这一特定的粗粒含量（W = 85%）。

结论

本研究采用离散元法（DEM），系统地研究了沉积角α、粗粒含量W和颗粒形态AR对经历排水三轴剪切的二元混合料宏微观力学行为的耦合影响。主要结论如下：

1. 1.
   二元混合料的应力-应变关系、体积行为和剪切强度显著受沉积角、粗粒含量和颗粒形态的影响。