基于全过程分析的土石混合体变形破裂宏-细观机理及尺度效应研究

For the complexity of soil-rock mixture (S-RM) and the limitation of the testing methods, it is very difficult or impossible to directly study the physical and mechanical characteristics of S-RM using in-situ or laboratory test. S-RM always perplex many important engineering projects. With new viewpoints and research thoughts, this work will take the structural characteristics of S-RM as the kernel, build the information database of the meso-structures and three dimensional geometric shape of internal rock blocks of the typical S-RM, describe their regularity and relationship with the geological formation, realize the fine-structure model building of S-RM with different meso-structure and different scale, and form the study system of digital S-RM. Based on triaxial tests and real-time scanning technique of CT, the macro-meso mechanics and scale effect of S-RM will be studied in this work. And based on the 3D reconstruction and 3D discrete volume correlation (DVC) theory, a 3D discrete-DVC technique and a software name as DVC-Particle3D will be developed to realize the quantitative analysis of developing process of particles and meso-structure of S-RM sample in the process of the test. Using high performance computing and continuous-discontinuous coupling techniques to perform the numerical tests of S-RM under complex conditions, and cooperates with the mechanical test to reveal the deformation and failure mechanisms of S-RM in the whole process of the test at macro-meso scale and scale effect, and provide the reasonable mechanical test method and representative elementary volume (REV) scale of S-RM.

由于土石混合体自身固有的复杂特性及现有试验有段的限制，很难通过现场及室内试验直接获取其物理力学特性参数，这一直困扰着许多重大工程建设。本项目以新的视角和研究思想，紧紧围绕土石混合体特殊的"结构性"特征为核心，建立典型土石混合体细观结构及内部块石三维形态信息数据库,阐明其规律性，实现不同成因、不同结构、不同尺度的土石混合体三维精细结构建模，形成数字土石混合体研究体系。基于三轴试验及CT三维实时扫描，开展土石混合体宏-细力学特性及尺度效应力学试验研究。基于三维重建及数字体相关技术，发展三维离散场数字体相关理论，研发颗粒材料三维全场动态变形分析系统，实现试样全场颗粒及细观结构演变全过程定量分析。基于颗粒离散元高性能计算及连续-非连续耦合方法，实现复杂条件下土石混合体破裂过程数值试验研究，协同物理力学试验从全过程揭示土石混合体变形破裂宏-细观机理及尺度效应，提出合理的力学试验方法及表征单元尺度。

由于土石混合体自身固有的复杂特性及现有试验有段限制，很难直接获取其物理力学特性参数，这一直困扰着许多重大工程建设。本项目以新的视角和研究思想，紧紧围绕土石混合体“结构性”这一特征，针对其物理力学特性研究中遇到的关键科学和技术问题开展相关研究。.开发并建成了构成不同成因土石混合体的、不同尺度的块石3D模型数据库；系统开发了土石混合细观结构建模系统及数字土石混合体研究体系，形成了从随机到真实、从二维到三维的细观结构模型生成技术。发展了三维离散场数字体相关理论，开发了土石混合体三维细观结构重建及演化分析系统，将其应用于土石混合体三轴CT实时扫描试验研究，揭示其在变形破坏过程中内部细观结构演化及颗粒破碎的力学机制。通过室内试验，系统开展细观结构及试样尺度对土石混合体力学特性的影响，揭示了粒度组成、超径处理方法及试样尺度等对其宏观力学强度、块石颗粒破碎特性及变形破坏机理的影响，提出了其强度的非线性模型。.数值计算为复杂岩土体的宏-细观力学研究提供了强大的技术支持。项目在研究过程中，提出了复杂颗粒的离散元（DEM）表征方法，并基于土石混合体的随机、重建结构模型开展宏-细观力学及尺度效应研究，协同室内试验共同揭示其变形破坏全过程宏-细观机制。基于FEM及DEM数值方法，开发了连续-非连续及多尺度耦合程序，揭示土石混合体的表征单元特征，为其多尺度力学研究奠定基础。发展了LBM-DEM流固耦合算法，实现了多相流-固体颗粒的耦合计算分析，形成了完善的颗粒材料细观尺度的流-固耦合分析平台，为土石混合体渗透破坏过程及流-固耦合特性研究提供支持。.通过本项目研究，目前共发表论文12篇（SCI 9篇，EI 2篇，国际会议论文1篇），录用SCI源刊论文3篇，授权发明专利3项，软件著作权1项，还有多项目成果正在审稿中。项目成果不但可用于土石混合体，而且也可用于混凝土、砾岩等其它类似介质的研究；所开发的计算分析方法，可广泛应用于岩土体及地质灾害的高性能计算分析。