土石混合体边坡三维非均质模型构建方法及地震渐进性失稳机理研究

Soil-rock mixture as a special unfavorable geological body, is widely distributed in the southwest of China. Under the influence of natural forces and human activities, it can bring a series of geological disasters and major engineering geological problems, a serious threat to human survival, engineering construction and the safety during the operation. Considering that the existing theoretical methods fail to generalize and describe the soil-rock mixture with complicated material composition and irregular structure distribution, it is of theoretical and practical significance to carry out the heterogeneity model construction and seismic response research of soil-rock mixture slopes to obtain failure mechanisms and benefit seismic designs. In this project, the numerical simulation, theoretical analysis, indoor and outdoor test and shaking table model test are combined to establish a 3-D numerical model constructing method which can character the particle morphology in a systematic and comprehensive way. On this basis, considering the static and dynamic physical and mechanical characteristics and strain softening of the soil-rock mixture, the deformation and failure mechanism of soil-rock mixture slopes are analyzed, and the effects of the seismic dynamic action on the progressive failure mechanism of soil-rock mixture slopes are revealed. The research can provide powerful technical support for the safety evaluation and seismic strengthening design of soil-rock mixture slopes.

土石混合体作为一种特殊的不良地质体，广泛分布于我国西南山区，在自然营力及人类活动的影响下，其衍生出的地质灾害带来了一系列重大工程地质问题，严重威胁人类生存、基础设施建设及运营安全。鉴于现有技术方法尚不能对物质组成复杂、结构分布不规则的土石混合材料进行真实概化及描述，开展土石混合体材料非均质三维数字模型构建及土石混合体边坡地震动力响应研究，对土石混合体边坡失稳机理揭示及抗震设计具有重大的理论及实践意义。本项目将数值模拟、理论分析、室内外试验及振动台模型试验相结合，建立一种能够综合性表征三维块石真实形态的数值模型构建方法。在此基础上，考虑土石混合材料静动力物理力学特征与应变软化特性，开展土石混合体边坡动力变形规律与失稳机理分析，进而揭示地震动力作用下土石混合体渐进性破坏机制。本项目研究成果可为土石混合体边坡安全评估及抗震加固设计提供科学依据。

本课题结合室内试验、模型试验、理论分析以及数值模拟等方法，在考虑块石真实形态的基础上，深入研究了土石混合体的一些基础性问题，主要包括土石混合体材料力学特性以及土石混合体边坡的渐进性破坏特征。项目取得了预期的阶段性研究成果，已基本完成了预期考核目标。取得的主要研究成果如下所示：.（1）基于摄影测量方法，设计了一套获取真实块石三维形态的简易操作框架。通过该套框架高效地获取了近两千块碎石三维几何形态数据。通过引入三个不同尺度的形状指标，对三维数字化块石的形态进行了量化，形成了便于检索、指标详实、形态丰富的三维块石数据库。.（2）在数据库中可指定几何形态或随机进行块石提取，实现了块石的随机投放及相交判定，并编制了相关程序算法。在数值计算方法——物质点法及离散元法中实现了考虑真实块石的土石混合体三维非均质模型构建，基本实现了数值模拟的前处理工作。.（3）分析了块石形态对块石试样力学特性的影响，揭示了颗粒第一尺度细长度和扁平度与颗粒堆积特性的关系。引入了M-A-V-L形态分析框架，进一步揭示了整合后的颗粒M值对三轴压缩试样宏细观力学特性以及组构异性的影响。构建了考虑块石真实形态的土石混合体三轴数值试样，分析了土石混合体受细颗粒影响的剪切特性以及细观机理。.（4）开展了土石混合体材料力学特性的室内试验研究，分析了土石混合体静、动力特性的尺寸效应。同时开展了土石混合体边坡地震相应特征的振动台试验研究，研究了正弦波频率以及EL-Centro幅值与土石混合体边坡动力响应关系。初步揭示了土石混合体边坡在地震作用下的渐进性破坏特征以及失稳模式。.（5）通过物质点法探究了块石含量、块石粒径对土石混合体边坡稳定性的影响，分析了土石混合体的几种典型渐进性失稳模式。采用有限差分法与离散元法耦合方法建立了数值分析模型，初步建立了土石混合体边坡桥域耦合模型，为后续进一步深入三维土石混合体边坡动力渐进性失稳分析奠定了良好基础。.（6）在项目执行期内（2019.01.01-2022.12.31），项目资助发表学术论文（SCI/EI/CSCD）30余篇，累积授权发明专利1项（正在申报2项），软件著作权2项。.（7）在项目执行期内（2019.01.01-2022.12.31），在本项目主要内容或拓展性研究内容方面累计培养博士后2名，博士3名，硕士5名。