5.1　简介

颗粒土的细观结构和细观力学对其宏观行为特性具有决定性作用。因此，在过去的几十年中，有大量关于土体细观结构的研究。对土体的细观研究方法主要有室内试验法和数值模拟法。常用的室内试验法有固化切片法（Kuo and Frost，1996）、X射线图像分层法（Desrues et al.，1996；Batiste et al.，2004）、核磁共振成像法（Ng et al.，2001）等。通过这些方法，可以研究颗粒土的空间特性（如局部孔隙比分布和应变局部化等）和时间特性（如剪切带的开展、颗粒的位移和旋转等）。而与试验法相比，数值模拟方法省时经济，被研究者认为是研究颗粒材料细观结构的有力工具。数值模拟方法（包括连续介质法和离散单元法）可以对颗粒材料的细观结构和细观力学进行定量分析（Yu，2004）。离散单元法（DEM）相比连续介质法（如有限单元法或有限差分法）更符合土体的非连续离散特性，只要模型正确合理，就可以从离散元数值模拟中获得很多试验中很难或无法测得的参数（如接触正应力和接触剪应力等）。数值模拟方法不能取代室内试验分析，但是可以帮助我们对试验结果进行进一步的分析。

由于离散单元法对颗粒材料细观结构特性研究的优越性，已经有很多学者对三轴压缩（Thornton，2000；Cui et al.，2007）、平面应变（Bardet，1994；Iwashita and Oda，2000）和直剪（Masson and Martinez，2001；Zhang and Thornton，2007）试验进行了离散元数值模拟分析研究。这些模型有二维和三维的，颗粒形状有球形、圆形、椭圆形、椭圆体、块颗粒等，研究的土体细观特性包括颗粒旋转、位移、应变局部化等。但是，已有的数值模拟大都针对某一荷载条件进行分析研究，很少有学者研究过不同荷载条件下颗粒材料细观结构的区别，因此几乎没有从细观角度对不同荷载条件下土体的宏观行为特性进行解释的研究。

本书采用三维离散元模拟软件PFC3D，对三轴压缩、平面应变和直剪试验进行数值模拟，对不同荷载条件下颗粒土的细观结构进行分析研究。研究内容包括不同荷载条件下的集合体特性（如孔隙比、配位数）和颗粒特性（如颗粒旋转、位移），采用主分量分析法和球形统计分析法对颗粒方位、接触面法方向、法向接触力以及切向接触力等细观结构和细观力学参数进行分析研究。