混凝土、砂砾岩、土石混合体等内部含有大量随机分布颗粒的非均质固体材料是工业与民用建筑地基基础施工、交通隧洞建设、大坝坝基与坝肩围岩稳定性评价、井工开采与巷道施工中面临的主要工程材料。在土木工程中,超高层建筑的地基基础,建筑集中区域的地下连续墙,基坑的开挖与支护,公路的路基基层等均需要考虑混凝土、砂砾层性质对建筑物以及构筑物的稳定性和安全性的影响。在地质工程中,砂砾岩储层处于多向应力共同作用的复杂应力场中,井工建设活动对围岩应力场产生剧烈扰动,导致岩体内部微裂缝扩展、贯穿,发生变形破坏。固体材料的宏观力学行为受控于其内部的细观结构和应力状态。对混凝土材料,粗骨料的种类、形状、尺寸、掺量以及相邻颗粒间的相互作用等对混凝土的物理性能、力学性能以及耐久性能等都发挥着控制性的作用;混凝土的脆性破坏很大程度上取决于骨料的性质以及骨料间的相互影响;对砂砾岩,其断裂特征往往受制于其内嵌的粗、细卵石的形状、大小以及体积分数等;对土石混合体,石子的比重以及分布对其细观破坏以及宏观的物理力学特征具有很大的控制作用。固体材料的内部三维应力场是决定固体材料变形与破坏行为的主控因素,是连接内部细观非均质结构与宏观力学行为的桥梁。因此,精准的描述颗粒材料内部的细观结构,从细观的角度揭示三维应力场的分布及演化规律,对准确的探究和揭示颗粒材料在受荷的过程中损伤积累、宏观力学变形、非线性特征、应力重分布以及复杂的破坏机理具有十分重要的意义。然而,由于内部颗粒的几何不规则性、随机分布复杂性以及与基体物理力学性质的差异,科学、准确和定量地分析此类固体材料在外部作用下的物理力学响应一直是理论界与工程界面临的具有挑战性的问题。在实际研究中,研究者往往通过一些相关的物理实验来建立非均质细观结构与宏观性质的内在联系。但是在物理实验中仍然存在一些难题:在物理实验中,人们往往需要大量的试件才可能获得具有普遍性的结论,这不仅会花费大量的时间,还可能由于实验设备和试件制作中的问题导致结果出现问题。特别地,对于砂砾岩结构的物理实验,获取真实岩芯的难度大、花费高,并且只利用有限数量的真实岩芯试样很难总结出规律性的结论。同时,物理测试尚不能直接测定细观结构对宏观力学响应的作用机制,只能通过外在的、统计性的结果来反推细观与宏观的内在联系,缺乏对内部应力场这一连接桥梁的有效测定。此外,所有工程材料为物理上的非透明结构,这给探测材料内部的变形、裂纹结构等带来了巨大困难。除了物理实验之外,数值分析也是一种重要的研究分析手段。数值模拟的特点是可重复性高、可控制性强、而且成本较低。数值模拟已发展成为解决实验和理论方法无法克服的难题的一种有力的分析方法。学者们提出了很多理论模型,来分析颗粒对裂纹萌生、扩展和整体破坏的影响。但这些模型的建立往往是基于随机和统计的原理,数值模型中的颗粒往往被简化成具有简单几何结构的图形,这和实际的非均质颗粒材料中几何形状不规则的颗粒具有很大差别。数值计算存在的因简化造成的几何模型与岩体真实结构直接的偏差、界面网格奇异性的问题、边界条件的设置、摩擦接触的处理、材料物理力学性质的量化等问题无法得到合理有效地解决。特别是计算结果难以得到实验或现场的验证。因此,构建一个能准确描述非均质颗粒材料微观结构的数字化模型,并基于这个模型研究它的物理力学性质和颗粒大小、分布及形状等细观结构之间的关系则显得极为重要。综合上述分析,本文创新性地提出了一种综合运用CT扫描、三维重建、3D打印、三维应力冻结和十步相移法的独特方法,实现了混凝土类非均质固体内部三维结构的透明化以及三维应力场的物理可视化以及定量化分析,并通过相关实验和数值模拟验证了方法的可行性、有效性和准确性。具体研究方法和技术措施如下:(1)利用石灰岩制备了粗骨料混凝土作为含颗粒非均质固体原型;利用高精度CT扫描技术和阈值分割技术提取了清晰的三值化颗粒细观结构;利用三维重构技术建立了与物理模型相对应的三维数字化结构;(2)基于三维重建的数字化结构,应用PolyJet 3D打印技术和透明应力可视化打印材料制备了含颗粒固体的透明化物理模型;测试了打印材料的各项力学性能,光-应力敏感性以及应力冻结特性等。(3)基于3D打印的物理模型,利用透射式光弹性法实时记录和观测了薄板模型在圆偏振光场暗场中的应力分布及演化规律,并讨论了非均匀分布的颗粒对应力场分布特征,塑性区域的形成以及裂纹的扩展的内在影响作用;同时应用有限元和离散元数值计算方法分别给出了相同模型在弹性阶段和破坏阶段的数值计算结果,并与实验观测现象进行了对比分析。(4)基于3D打印的三维模型,通过单轴压缩和应力冻结切片技术来实现了三维应力场的可视化;对相同结构在二维和三维应力状态下的应力分布规律进行了对比分析;实验结果与数值模拟计算进行了对比验证。(5)使用四步彩色相移动法提取了第一主应力的方向(等倾线),然后将所得结果替代六步相移法中原有的等倾线结果,进而获取了全场的主应力差分布云图(等差线)。根据测试的材料光学参数等信息,利用自动化的程序转换为定量化的应力场。(6)综合运用红外光谱FTIR,SEM,XRD以及热解气相色谱质谱分析了高分子聚合物VeroClear的主要化学成份;探讨了3种打印建造方向和6种热处理温度对打印材料力学性质的影响;量测分析了嵌入微裂隙、冰冻处理对打印模型脆性特征的改善效果,为提高打印材料与混凝土类工程材料的力学相似性奠定了基础。基于以上研究本文得出以下主要成果:(1)3D打印技术和透明打印材料为制备透明化复杂结构物理模型提供了一条新颖独特的途径。所用的打印材料表现出优异的光-应力敏感性和应力冻结特性。特别地,打印材料在强度、弹性模量、泊松比、基质/颗粒刚度比等力学特征上与混凝土类材料具有较高的相似性。尽管在塑形和断裂韧性等方面二者尚存在一定差异,但基质材料VeroClear在实现内部结构透明化和应力场可视化方面表现出显著的优势。(2)提出了联合应用3D打印技术、光弹性法以及三维应力冻结技术实现非均质模型内部复杂应力场的可视化方法,分析了三维应力场的分布特征以及演化规律。实验结果表明:随着外部荷载的增加,孔隙和不规则颗粒附近的光弹条纹逐渐变密,表征着较高的应力集中程度。特别地,孔隙临近区域的应力梯度要高于不规则颗粒周围区域的应力梯度,这是由于基质/孔隙的刚度比要大于基质/颗粒的刚度比;同时,清晰地记录了由高应力集中引起的塑形区域,裂纹尖端的应力场,以及裂纹扩展路径等。对全局应力场而言,细观结构的非均质性对局部应力状态的影响更为显著。相同结构在三维和二维状态下的应力分布存在一定差异,该差异是由于结构的非均匀性和三维结构的侧向惯性约束的双重作用。三维模型的侧向惯性约束作用可缓解颗粒结构的应力集中程度,进而提高其因外部荷载产生的损伤、变形、破坏的抵抗能力。(3)应用数字光弹性法实现了非均质结构三维应力场的定量化表征。在应力可视化与识别的基础上,应用十步相移法定量化地提取了非均质结构的第一主应力方向和主应力差分布云图。根据测试的材料光学参数等信息,利用自动化的程序转换为定量化的三维应力场,给出了非均质结构三维应力场的分布以及演化规律。应力场的可视化与量化分析建立了细观结构与宏观损伤、变形等力学行为的联系,为解释其破坏机理提供了十分重要的科学依据。(4)此外,针对材料力学改性的分析结果表明:提高UV照射时长可在一定程度上提高其力学强度和刚度,但因PolyJet打印过程的高精度和聚合反应的高效率,此影响因素对成型后的试件的改进并不是很明显。对打印模型进行150℃高温热处理48个小时也可使材料的强度发生明显的增长。特别地,引入一定量的微裂隙一方面可以提高打印模型在几何特征方面与工程材料的相似性,更主要的是可以有效增强打印材料的脆性特征,从而提高与混凝土类工程材料物理力学性质的相似程度。采用低温冰冻处理同样可以显著改善打印材料的脆性特征。这些实验结果均为使用3D打印模型模拟天然工程材料奠定了实验基础。