6.1　简介

随着现代科学技术的发展，人们越来越认识到土体细观特性的重要性。细观结构和细观力学被认为是颗粒土宏观特性和工程性质的根本内在决定性因素。之前对颗粒土细观结构研究的主要方法有试验法和数值模拟法。试验法主要有两种，包括X射线断层图像法（Desrues et al.，1996）和试样固化切片法（Kuo and Frost，1996）。这两种方法各有优缺点，相对来说X射线断层图像法更为常用。X射线断层图像法的缺点是分辨率不够高，尽管目前分辨率已经有所提高（Batiste et al.，2004），但是很多时候还是不能够从颗粒尺度层面对土体特性进行研究。数字图像分析法具有足够的分辨率，可以从颗粒尺度或更小尺度进行研究，但是这种方法的操作非常复杂繁琐。一些学者用这种方法对剪切带的开展（Oda and Kazama，1998）、试样受剪时细观结构的发展变化（Frost and Jang，2000）、试样的均匀性（Kuo and Frost，1996）、破坏时试样的细观结构（Jang and Frost，2000）等进行了研究。虽然数字图像技术是二维分析方法，但是采用定量体视学方法可以严格明确地从试样的二维平面分析获得三维立体结构性质，这种方法的基础是Hilliard（1968）提出的体积分量与相应面积分量的等效转换算法。

计算机技术和计算能力的飞速发展为离散元数值模拟的应用提供了极大的便利，也推进了实验室对细观结构的定量化体视学分析技术的发展。已有不少学者对颗粒材料的细观结构进行了二维（Cundall，1989；Rothenburg and Bathurst，1992；Kuhn，1999）和三维（Ouadfel and Rothenburg，2001；Powrie et al.，2005）离散元数值模拟。也有学者采用数字图像技术对二维的离散元数值模拟结果进行了试样细观结构的分析研究（Evans，2005），但是对三维离散元模拟结果进行体视学分析的研究还不多见。

实验室模型试验和数值模拟是两种主要的研究方法，但很少有学者把这两种方法结合起来进行研究。有的学者主要对比例放大的二维物理模型试验进行了研究（O'Sullivan et al.，2002b），也有的学者对非土体材料进行了三维室内模型试验（Ng and Wang，2001；O'Sullivan et al.，2002a），另外一些学者主要采用数值模拟的方法，建立了二维离散元模型来模拟分析颗粒土的三维细观结构。但这些已有的研究都有一定的不足之处，比如模型中颗粒太少、使用非土体材料、维度不匹配等。目前，将试验数据和数值模拟数据进行统一分析的主要困难是实验室测得的试样特性参数与数值模拟测得的数据不完全匹配，特别是实验室试验与数值模拟采用或得到的细观结构参数不一致。在实验室试验中，通过静态测量可以获得的颗粒参数有局部孔隙比、颗粒方向、平均自由程、中尺度孔隙比等。而数值模拟还可以获得除了这些参数外的一些室内试验无法测得的参数，如每个颗粒的旋转、法向接触力、切向接触力以及配位数等。尽管可以在数值模拟中模拟实验室试验的测量方法，但是由于在获取这些数据之前还需要大量的后处理，所以之前的研究很少综合采用实验室试验与数值模拟方法进行分析。

本章对三维颗粒集合体数值模型采用与室内试验相同的切片分析法进行分析。这一方法类似于实验室中的固化切片法，通过对数值模型进行模拟切片，对模拟切片数据进行数字图像分析，计算模拟试样的孔隙比。通过这种方法，可以获得颗粒材料的中尺度结构特性，包括孔隙比和平均自由程。由于离散元模型可以确定每个颗粒的位置以及颗粒的直径，某一指定平面相交的颗粒可以确定，相交颗粒的几何特性可以求得，由此，可以分析试样内颗粒方向的分布。数值模拟的切片法与实验室的固化切片法相比，减少了试验过程中的不确定性，提高了获取数据的准确度。

因此，可以对三维数值模型采用与实验室试验相同的体视学分析法。通过对实验室试验和模拟试验的对比分析，可以从不同尺度（细观、中尺度、宏观）对离散元模型进行修正。如果离散元数值模型的建立正确合理，与试验试样提到的行为特性相一致，便可以通过离散元模型进一步获得一些实验室试验很难或无法测得的数据。