强震区胶凝堆积体多尺度动力特性与灾变机理

For the cemented congeries of soil and rocks in hydropower engineering, the multi-scale digital characteristics of which are analyzed through 3D scanning technology，then site specimen or the bone rock mass is used as basic medium to prepare the specimen.Then based on the different degree of cementation and different micro, meso characteristics, the specimen are used to execute indoor 3D dynamic test, the falling weight test, site stress wave propagation testing of large scale. According to the experimental results and theoretical analyse between dynamic characteristic and stress wave propagation and meso-structure characteristic, multi-scale damage dynamic models with time dependent and cumulative effects are built up with the help of the homogenization. Then numerical simulation methods of different scale and span scale will be studied under the effect of earthquake loading. By means of case feedback study, the evolution and disaster mechanism of cemented congeries under reciprocating load are revealed. The research can contribute to the development of coupled system of multi-scale dynamics, damage mechanics, numerical simulation theory, it also helps to improve the understanding of physical and mechanical properties of cemented congeries of soil and rock medium in hydropower engineering and guarantee the safety of important engineering.

针对水电工程中常见的胶凝堆积体，在现场细观特征统计基础上利用激光三维扫描技术进行颗粒特征分析，采集原样或基于其数字化多尺度特征配制不同微、细观特征，不同胶结程度和孔隙率的试样。然后利用室内动态三轴试验、落锤冲击试验、场地大尺度应力波传播测试分析介质的动态力学特性与细观特征间的内在规律。然后采用均匀化方法概化材料，建立考虑率相关累积效应的多尺度损伤动力学本构模型，研究适用地震往复作用的多尺度、跨尺度胶凝堆积体数值模拟平台；借助实例开展反馈探讨，揭示地震作用下胶凝堆积体损伤演化的灾变机理；研究成果有助于拓展多尺度动力学、损伤力学、数值模拟理论等耦合体系向纵深发展，也有利于完善对水电胶凝堆积体物理力学性质的认识，保障重大工程安全。

我国西南水电工程所处区域，在地质作用下形成了多种胶结形式的堆积体，在地震、爆破等动荷载作用下容易发生灾变，其破坏特点均经历自点到面、自局部到整体破坏的演变过程，机理复杂，是工程界重点关注的研究对象。本课题经过4年持续不断的研究，考虑胶结程度和细观特征，综合加载速率、累积效应对强震作用下的堆积体动力特性进行研究，揭示了强震条件下胶凝堆积体的灾变机理。主要成果如下：.(1)建立了基于傅立叶变换和逆变换的细观介质识别刻画方法，三维球谐函数刻画与外推重构方法，形成了细观介质“识别—刻画—外推—重构” 整套构建体系，解决了胶凝堆积体介质由细观到宏观尺度非连续精细化描述的难题。开展了松散、胶凝堆积体的静动力学试验，研究了细观特征、应力状态对堆积体应变率影响，对比了结构面对应力波传播影响，探讨了循环加卸载对试样破坏的渐进损伤机理。.(2)建立了基于平行黏结模型的细观参数快速标定方法，使之可与胶凝堆积体宏观性质协调对应；考虑接触刚度与黏结的应变率效应，建立了胶凝堆积体颗粒材料细观动态本构模型，可考虑混凝土、岩石等强胶结时变形、强度应变率效应。进一步建立了岩体软化的动态软粘结模型，该模型可考虑大尺度计算时单一颗粒内微裂隙造成的软化效应。系列模型为胶凝堆积体地震灾变大型计算提供了理论基础。.(3)基于有限差分算法和颗粒离散元计算平台，建立了力、位置和速度等耦合数据的相互传递与交换的连续-非连续耦合数值方法，开发了二维、三维软伺服数值模拟技术、二维、三维力链分析技术。在此基础上对典型堆积体静态自重作用下的变形破坏机理，探讨了含石率等因素影响。利用爆炸实例，分析了岩石破岩中的应力波传播作用及最终破坏的过程，并与工程爆破领域公认的现象、原理进行对比。.依托课题发表学术论文25篇，其中SCI、EI收录12篇，授权发明专利7项，登记软件著作权4项。联合培养博士2名，毕业硕士7名，获2017年中国岩石力学与工程学会自然科学奖一等奖(排名2)，2019年中国大坝工程学会技术发明奖一等奖(排名4），入选2019年教育部国家一流课程虚拟仿真项目(河海唯一，排名5)各一项。.成果已在古水水电站、红石岩堰塞体治理等工程的勘测设计施工实践中得到部分应用，对水利水电行业的科技进步具有促进作用。