1 绪论
对于固体材料和颗粒材料（Kjellman，1936），三个方向主应力对其应力—应变—强度—体积变化特性起决定性作用。在岩土工程中，测量土体参数最常用的室内试验有传统三轴压缩试验（Conventional Triaxial Compression，CTC）、平面应变试验（Plane Strain，PS）和直剪试验（Direct Shear，DS）。众所周知，土体或试样在不同荷载条件下表现不同。比如，从直观破坏变形形式上，平面应变条件下，试样一般会产生应变局部化从而沿剪切带发生滑动破坏，而轴对称三轴压缩试样一般发生相对均匀的鼓胀破坏。在实际工程中，平面应变条件最为普遍，比如挡土墙后土体、坝体中的土体、路堤或江堤中的土体的受力均为平面应变条件。但是，轴对称三轴试验和直剪试验却是用来获得土体强度、变形特性等设计参数最常用的方法。这两种试验虽然不能更真实地模拟现场工程条件，但因为轴对称三轴和直剪试验操作相对简单，而平面应变试验比较复杂与繁琐，所以三轴试验和直剪试验应用更加广泛。
由于一般传统三轴压缩试验中测得的摩擦角比平面应变试验小（Cornforth，1964；Henkel and Wade，1966；Rowe，1969；Lee，1970），所以根据轴对称三轴压缩试验或直剪试验的结果来进行平面应变工程条件设计一般被认为偏于保守。首先，平面应变试验条件和传统三轴压缩试验条件下试样屈服前后的表现不同（Lee，1970），比如：平面应变试验初始刚度更大；平面应变试验峰值强度对应的轴应变比传统三轴压缩试验小；破坏应力路径不同。这些不同特性导致不同应力状态时临界状态下的p-q曲线也不同（Mooney et al.，1998；Evans，2005）。有些学者（Ramamurthy and Tokhi，1981）认为平面应变试验中第二主应力方向颗粒运动被限制是造成平面应变试验和传统三轴压缩试验差异的主要原因。而在直剪试验中，由于破坏面由仪器决定，剪切过程主应力轴发生旋转，且无法忽略边界条件对试样特性的影响（Jacobson et al.，2007；Wu，2008）。这一系列的原因导致传统三轴压缩和直剪试验结果无法直接应用于平面应变条件下的土体。
很多学者研究了不同荷载条件（平面应变试验、传统三轴压缩试验、直剪试验）对土体应力-应变-强度-体积变化特性的影响（Cornforth，1964；Finn et al.，1967；Lee，1970；Hanna，2001）。有的学者提出了平面应变条件和传统三轴压缩或直剪条件下试样剪切强度参数之间的关系（Rowe，1969；Ramamurthy and Tokhi，1981，1989；Bolton，1986；Hanna，2001），但是，这些研究很少从控制宏观特性的细观力学和细观结构的角度进行分析和解释，特别是对非本构破坏（如局部集中应变过大造成的破坏）的破坏机理的研究还很缺乏。目前还没有被广泛接受的根据传统三轴压缩试验或直剪试验的结果推算平面应变试验应力—应变—强度参数的理论和算法。为解决这一问题，重要的是建立符合现场实际土体宏观行为的特性的模型，进一步研究影响土体宏观特性的细观力学和细观结构。
颗粒土的宏细观特性是由土体的细观结构和细观力学决定的。不同荷载条件下的试样具有不同的破坏模式。平面应变试验破坏时一般有一个明显的破坏面，称之为应变局部化或剪切带，传统三轴压缩试验通常是扩散破坏，而直剪试验的破坏面由仪器决定。试样（尤其是剪切带和破坏面）受剪时的细观力学和细观结构的不同，决定了试样破坏方式的不同。很多研究表明，试样发生应变局部化的部分的细观结构与试样其他部分截然不同（via regions of high localized strain），应变局部化的部分与其他部分相比孔隙比一般比较大。剪切带的形成和受力机理及剪切带构造（倾角和厚度）决定了试样宏观特性。为进一步理解试样的宏观行为特性，需要对试样的细观颗粒尺度的特性，如颗粒旋转和位移、颗粒方向、局部孔隙比、应变局部化部分的配位数和整个试样配位数等进行深入研究。有一些学者对这些细观特性进行过研究，但是很少考虑不同荷载条件对试样宏细观特性的影响。
在研究土体的宏、细观特性时，最常用的方法是试验分析法，即通过试验研究观察分析试样应力—应变—强度—体积的行为和特性。研究试样细观结构的试验法有X射线断层图像法（Desrues et al.，1996）和固化切片法（Kuo and Frost，1996）等。但这些试验法有很多缺点，从操作角度看，试验法一般耗时、昂贵，而且操作比较复杂繁琐；从研究角度看，一些重要的参数如法向接触力、切向接触力等，试验很难或者无法测得。数值分析可以弥补试验分析法的这一缺点。Cundall和Strack在1979年提出了离散单元法（Discrete Element Method，DEM），该方法被广泛应用于颗粒材料力学行为和特性的研究。采用离散单元法，可以获得试样很多细观参数（如局部孔隙比、配位数等）和颗粒特性（如颗粒旋转、颗粒位移、颗粒方向等）。对一些很难或无法通过试验测得的参数，如接触方向、法向接触力、切向接触力等也可以通过离散元数值模拟获得。除此以外，还可以通过离散元数值模拟研究试样的空间特性（如剪切带构造、局部孔隙比分布等）和时间特性（如剪切带的开展、局部孔隙比随加载过程的发展等）。同时，数值试验可以模拟实验室中比较复杂的固化切片法，并采用体视学法和统计法对颗粒材料的行为特性做进一步研究，模拟的结果甚至比试验结果更加精确。之前已经有学者采用离散元模型对平面应变试验（O'Sullivan and Bray，2004）、传统三轴压缩试验（Thornton，2000；Cui et al.，2015）和直剪试验（Ni et al.，2000）进行了模拟，但这些学者都只对一种荷载条件进行模拟，而对不同荷载条件下土体特性进行比较的研究较少。
本书主要介绍了采用离散元模拟不同荷载条件土性试验，即平面应变试验、传统三轴压缩试验、直剪试验，从宏观细观不同尺度对不同荷载条件下颗粒土的行为特性进行分析研究，特别是从颗粒尺度的细观角度对土体的宏观行为进行分析，从物理机理上对土体的宏观行为进行解释。本书的主要内容如下：
第二章 回顾相关文献，对不同荷载条件下土体的宏观行为进行比较，总结平面应变试验、传统三轴压缩试验、直剪试验抗剪强度参数的关系，以及颗粒土细观结构试验、颗粒土细观结构数值模拟等研究成果。
第三章 介绍离散单元法的理论基础，建立离散元数值模型，并对参数进行分析，定量分析不同参数对试样宏观特性的影响。
第四章 讨论平面应变试验、传统三轴压缩试验、直剪试验荷载条件下模型试样的宏观力学行为特性，研究不同荷载条件下小应变时试样的抗剪强度和体积变化等行为特性。
第五章 从细观角度分析试样力学行为和颗粒特性，采用统计方法分析试样颗粒方向和接触特性。
第六章 模拟实验室中切片法对数值模型试样进行切片，采用体视学法研究试样局部孔隙比和颗粒方向的分布。
第七章 综合采用宏观分析法、细观分析法、体视学法以及统计学法，对不同荷载条件下的试样性质进行进一步分析研究。
第八章 总结本书的成果，对未来进一步的研究内容给出建议。