近日，土建学院岩土工程研究所童立红副教授、徐长节教授、颜建伟和雷祖祥教授在孔隙介质本构理论研究中取得重要进展。该研究团队通过严格的力学理论揭示了多相孔隙介质丰富且复杂的力学行为，为研究常见的岩土工程材料提供了关键理论工具。相关研究成果于8月以“Strain gradient nonlocal Biot poromechanics”为题在线发表于工程学知名杂志《国际工程科学杂志》上[International Journal of Engineering Science 156 (2020) 103372]。

图1：孔隙介质颗粒相互作用的非局部特征

孔隙介质具有丰富的力学性质：软化效应、频散效应、弥散效应等。传统的力学本构很难同时捕捉到如此丰富的性质。例如经典的Biot理论，不仅无法考虑孔隙尺寸变化引起的动力效应，也无法考虑介质在扰动下产生的软化效应。由于孔隙介质颗粒的大小、级配等的不同，实验上已经注意到不同孔隙介质状态所产生的动力响应差别很大：既可以出现正频散效应（Positive frequency dispersion），又可以出现负频散效应（Negative frequency dispersion）。如何综合这些影响因素且能较为精确地描述孔隙介质的诸多力学行为，建立统一的本构理论，对于分析和研究工程中涉及孔隙介质的动力响应问题具有重要的理论意义。

图2：波的负频散效应            图3：波的正频散效应

针对上述科学问题，徐长节、童立红等人组成的土动力学研究团队，通过考虑孔隙介质内部颗粒的相互作用具有非局部特征——材料内部应变对应力的影响具有全局性而非经典理论中的点-点关系（图1），同时考虑颗粒级配导致的内部微元体的非均匀性特征，建立了饱和孔隙介质的积分型本构方程。最后通过对积分本构中引入的核函数的物理意义进行阐释和约束，最终将积分型本构转化为数学上容易求解的微分型本构。通过理论分析发现，新构建的本构理论能够同时捕捉到孔隙介质正负频散关系（图2和图3），且得到了试验数据的验证。上述重要理论不但对揭示饱和孔隙介质丰富的动力行为提供新的理解和解释，同时也为孔隙介质动力行为预测提供了有力的理论支撑，该理论可以方便地扩展应用于路基、隧道、基坑、边坡等常见工程领域动力响应分析。

据最新的引证报告显示，《International Journal of Engineering Science》为中科院分区一区的Top期刊，最新影响因子为IF=9.218，该期刊的录用率仅为3%左右，是工程技术领域顶级的期刊。论文作者为童立红、丁海滨、颜建伟、徐长节、雷祖祥，通讯作者为雷祖祥。该研究工作得到了徐长节教授团队高铁联合基金重点基金项目、国家青年基金及江西省杰出青年基金的资助。