基于细观特征分析的冰水堆积体渐进破坏机理多尺度研究

Talus deposit is a kind of soil-rock mixture medium formed by glacial movement and transportation，which has the strong heterogeneity, discontinuous and nonlinear characteristics. Developing corresponding mechanical analysis model according to the macro and micro mechanical behavior of outwash congeries can describe the mechanism of progressive failure process and help to reveal the microscopic behavior. Firstly the 3D laser scanning method is used to construct spatial orientation and geometric contour of rock mass in outwash congeries material ,the characterization of microscopic features such as the interface area, roughness can be obtained, and the influence of micro-structural factors on mechanics behavior can be studied. Secondly the indoor three triaxial test and the chute stacking tests are used to real the inherent contact between medium microstructure and mechanical parameters of rock and soil particles, then bond portfolio construction method of soil and rock particles to describe meso-characteristics in order to develop a non spherical particles of discrete nonlinear contact model, then continuous and discrete coupled numerical algorithm of outwash congeries is established to reveal the outwash evolution mechanism of failure by local damage to the whole.This project beginning with microstructure and mechanical behavior of the test statistics, building a multi-scale numerical analysis method, to reveal the outwash gradual failure mechanism, can provide a scientific basis for the analysis of the stability of talus deposit slope.

冰水堆积体是冰川搬运堆积形成的一类土石混合介质，具有很强的非均匀、非连续和非线性特征。针对冰水堆积体宏细观力学行为发展相应的多尺度分析模型，有助于揭示细观行为影响边坡渐进破坏过程的机理。首先对冰水堆积体材料中的岩块通过三维激光扫描手段进行空间定位与几何外轮廓的构建，得到细观特征的表征量，如界面面积、粗糙度等，分析其细观特征对介质力学行为的影响；借助室内大三轴试验与滑槽堆积试验揭示介质细观特征与岩土力学参数的内在联系；采用粘结组合等方法构造土体和块石颗粒单元，发展非球形颗粒离散元的非线性接触模型，建立冰水堆积体的连续-离散耦合数值算法，揭示冰水堆积体由局部破坏向整体破坏的演化机理。本项目借助细观特征统计与力学行为试验，建立数值分析多尺度方法，揭示冰水堆积体渐进破坏机理，可为冰水堆积体的稳定性分析提供科学依据。

冰水堆积体是介于土体和岩体之间的一种非均匀、非连续和非线性的特殊地质材料，成分复杂、颗粒尺度离散性大，变形破坏机制等力学行为很难用一般的土体或岩石力学理论来准确描述。本项目经过3年持续不断的深入研究，取得了如下成果：.(1)基于颗粒流数值模拟方法、块体离散元方法，在数据前后处理、细观模型构建、宏细观力学特性分析、滑坡破坏渐进过程等方面开展了系统研究，形成了离散元宏、细观分析成套数值模拟技术，是颗粒流PFC2D/3D、3DEC等软件前后处理功能的有益补充。.(2)基于数字图像分析和球谐函数法，建立了岩土介质二维、三维细观力学分析方法，为宏观-细观尺度边坡分析搭建起了桥梁，并发展出系统的二维、三维堆积体的压缩、剪切试验数值模拟与分析体系。.(3)通过追踪不同荷载水平下的裂隙扩展与不同加载方式破坏规模的对比，利用颗粒离散元方法建立了细观尺度边坡渐进破坏细观模拟方法，宏观-细观耦合数值模拟方法，研究了滑坡水压力作用下的滑坡变形破坏机理，可较准确的预测滑坡的规模和程度，为复杂构成介质的边坡机理分析与地质灾害评估提供技术支撑。.(4)国内外学术交流方面，在基金资助下参加了2014水工结构与水力装备战略研究暨青年学者学术交流会，2014年第一届多尺度岩石力学与工程应用，2016年第十四次全国岩石力学与工程大会，分别作了关于本课题研究成果和进展的学术报告。.(5)发表学术论文21篇，其中SCI收录8篇，EI收录4篇，获授权发明专利4项，计算机软件著作权15项。以项目研究为依托，毕业博士研究生2名，硕士研究生6名，获得2016年水力发电科学技术奖特等奖1项，排名2，水运建设工程协会奖二等奖1项，排名14。.研究成果已在澜沧江古水水电站、金沙江梨园水电站、金沙江溪洛渡水电站大型堆积体的勘测设计施工实践中得到成功应用，对水利水电行业的科技进步具有推动作用。