基于多尺度与多过程分析的土石混合体斜坡渐进破裂机理研究

Since particles of soil-rock mixture slope are extremely different in dimension and strength, the structure of the slope directly affects, even controls its stability and progressive failure. It is difficult to apply conventional analysis methods to such slopes. From a new angle of view and following a new research path, this project focuses on the characteristics of soil-rock mixture slope, i.e., multi-scale of its structure and multi-process of its progressive failure, and performs structural multi-scale studies using methods such as geophysical prospecting, image processing and stochastic simulation. A granular element method (GEM) considering real particle shape will be proposed and coupled with FEM and MPM based on multi-scale coupling to accomplish up-scale computation of soil-rock mixture. A 3D non-contact deformation analysis system will be built based on stereo vision technology and digital image correlation to monitor and analyze the entire process of centrifuge model test three-dimensionally. An FEM-MPM coupled algorithm will be developed and an analysis platform comprehensively considering the multi-process and multi-scale characteristics of soil-rock mixture slope failure will be established. This platform, together with physical tests, will be applied to study the stability and progressive failure of soil-rock mixture slope and to reveal the macro- and meso-scopic mechanisms and structural control effect of the entire evolution, based on which, a rational stability and slope failure analysis method will be proposed.

构成土石混合体斜坡的颗粒在尺寸及强度上呈极端的差异，斜坡的结构性直接影响甚至控制着其稳定性及渐进破裂过程。传统的分析方法难以用于这类斜坡的研究。本项目从新的视角和研究思想，以土石混合体斜坡结构的“多尺度”及渐进破裂的“多过程” 特征为核心，基于物探、图像处理、随机模拟等方法，实现土石混合体斜坡结构多尺度研究。提出基于真实颗粒形态的颗粒力学计算方法（GEM）；基于多尺度耦合方法发展并研发FEM-GEM及MPM-GEM耦合模块，实现土石混合体升尺度计算。基于立体视觉及数字图像相关技术，研发三维非接触变形分析系统，实现土石混合体斜坡离心机模型试验全过程立体监测与分析。发展FEM-MPM耦合算法，建立全面考虑土石混合体斜坡灾变多过程、多尺度的分析平台；将其应用于土石混合体斜坡稳定性及渐进破裂过程研究，协同物理试验揭示其全过程演化的宏-细观机理及结构控制效应，提出合理的稳定性及灾害分析方法。

构成土石混合体斜坡的颗粒在尺寸及强度上呈极端的差异，斜坡的结构性直接影响甚至控制着其稳定性及渐进破裂过程。本项目从新的视角和研究思想，以土石混合体斜坡结构的“多尺度”及渐进破裂的“多过程” 特征为核心，基于三维扫描、图像处理等技术手段建立了土石混合体的块石形态特征参数及三维重建方法；运用物探及现场量测方法，开展了土石混合体斜坡的结构探测研究，在此基础上提出并构建了土石混合体三维结构模型；在已有研究成果的基础上，继续深入开展土石混合体的物理力学行为特征，提出了其非线性本构模型。基于立体视觉及数字图像相关技术，研发三维非接触变形分析系统，实现土石混合体斜坡离心机模型试验全过程立体监测与分析；在此基础上，开展了天然及降雨工况下土石混合体的变形破坏过程试验研究。发展了基于复杂形态的离散元数值计算分析方法（DEM），提出了一种适用于渐进破裂的块体接触断裂模型及“拉伸-压缩”刚度不一致的接触力计算模型，实现了复杂岩土体从连续到非连续的多过程技术分析；发展了基于FEM-DEM的多尺度耦合分析方法，实现了复杂岩土体从细观到宏观的多尺度力学计算分析；开发了MPM高性能计算分析程序，在此基础上发展并验证了基于MPM的强度折减法边坡稳定性分析技术；发展了基于SPH-DEM及LBM-DEM耦合的流固耦合分析方法，实现了岩土体在细观及宏观尺度上的流-固耦合计算分析，为土石混合体细观渗流及滑坡涌浪灾害分析提供了支撑；在上述算法发展的基础上，基于GPU并行加速技术，开发了基于物理力学过程的耦合仿真器-CoSim（Coupling Simulator），为岩土/地质体的多尺度、多过程、多相态（3M问题）分析提供了有力的支撑。提出了基于机器学习的DEM颗粒/块体接触参数反演分析方法，实现了基于室内试验宏观物理力学行为的岩土体DEM计算参数的快速反演分析。将其应用于土石混合体斜坡稳定性及渐进破裂过程研究，协同物理试验揭示其全过程演化的宏-细观机理及结构控制效应，提出合理的稳定性及灾害分析方法。