颗粒材料渐进破坏过程的细观结构演化与机理研究

Progressive failure has been a classical problem in the field of geotechnical engineering. It is associated with deformation localization or shear banding, phase transition and is also related to damaging in granular materials. In order to explore the physical mechanism of progressive failure, multiscale analysis based on micro-meso mechanical tests and DEM (Discrete Element Method) numerical simulations are carried out in this project. For the purpose of characterizing the microscale contact force, mesoscale deformation and macroscale mechanical response involved in the progressive failure, a multiscale frame characterized by 'particle pair in contact -void cell-granular assembly' is proposed, in which void cell is regarded as a medium scale. Parallel DEM program suitable for multi-core processor will be developed with the accurate quantification of the internal structure of granular materials. The following issues will be clarified in this project: the key influence of the mesostructure and its evolution on the formation and devlopment of shear band, the dependce of the macroscale mechanical resoponse on the mesocscale fabric. The mesoscale theory of the macroscale granular dynamics will be established and the the physical mechanism in progressive failure of granular materials will be explored.

颗粒材料渐进破坏一直是岩土工程领域中的经典问题。为揭示颗粒材料在渐进破坏过程中所呈现的变形局部化、相变及破坏机制，本研究将借助微细观力学实验和离散元数值分析、物理分析等手段，开展微-细-宏观相结合的多尺度分析。为完整描述以变形局部化为特征的破坏过程中，颗粒材料的微观受力、细观变形以及颗粒体系的宏观力学响应，本项目以孔隙胞元作为中间尺度，构建"颗粒接触对-孔隙胞元-颗粒体系"的"微-细-宏"多尺度框架，建立各尺度层次上参数间的联系；在准确量化内部结构的基础上，发展基于多核CPU的离散元并行程序，对具有复杂边界的大型颗粒体系进行模拟。通过本项目的研究，将明确细观结构及其演化对剪切带的形成和发展所起的关键作用，确立宏观力学响应对细观组构参数的依赖关系，建立宏观颗粒动力学的细观理论，揭示颗粒材料渐进破坏的物理机制。

颗粒材料渐进破坏一直是岩土工程领域中的经典问题。本项目针对颗粒材料的多尺度结构特征，分析了各自尺度的物理机制，构建了“颗粒接触对-孔隙胞元-颗粒体系”的“微-细-宏”多尺度框架，建立了各尺度层次上参数间的联系；发展了能准确量化内部结构的离散元模型并开发相应的高性能并行数值算法，用以进行颗粒材料渐进破坏过程经典力学行为的数值模拟；研究了细观结构在剪切带形成、发展演化过程中所起的关键作用，建立宏观动力学的细观理论；并结合微细观力学实验、物理分析等手段，探讨了剪切带形成的理论判据、控制因素以及物理现象，揭示了颗粒材料渐进破坏的内在物理力学机制。.本项目的研究成果深化了对颗粒材料在复杂荷载条件下的材料非线性行为的认识，促进了颗粒力学多尺度理论和方法的发展，特别是与以应变局部化为特征的渐进破坏过程紧密相关的动力灾害现象的理解和发展基于理性分析的、能精确模拟和再现这些现象的定量估计方法，具有较强的科学意义；同时还有助于解决我国岩土工程动力灾变的数值预报与灾害预防问题，提高对泥石流和山体滑坡等地质灾害形成、运动、致灾机理的认知和预防调控，又有较高的应用价值。