颗粒物质的类固-液演化规律和机理研究

本项目属于非平衡态复杂体系物理学中的前沿性课题，旨在结合非平衡态统计物理、连续体力学、岩土力学和复杂网络方法，通过实验、建模、仿真和理论分析研究颗粒体系力链结构，从而达到理解颗粒体系类固-液演化机理的目的。研究内容包括通过颗粒体系的光弹实验和声波传播实验研究颗粒体系内部力链的微观结构特征及其统计性质，和力链在不同形式外界干扰作用下断裂和重组的过程，从而了解颗粒体系从固态堆积状态失去稳定性而流态化的行为，并试图捕捉该体系失稳的关键条件。大量的基于离散元数值模拟和针对复杂力链网络中应力信号传播的仿真将用以辅助和验证上述实验工作，并用以预测该转变过程中可能存在的更复杂的动力学行为，建立适合于该体系的颗粒固体动力学理论框架，从宏观角度上理解这一失稳行为。本课题的研究除了在远离平衡态、复杂动力学领域内的科学意义外，还可能为地震、雪崩、泥石流等自然灾害的治理及多种工业过程的设计提供科学指导和依据。

本项目为重大工程和地质灾害所关注的跨物理,力学和工程领域交叉学科的灾害启动过程研究。课题组共撰写期刊论文69篇，其中SCI论文45篇，中/英文专著各1部，授权发明专利1项。国际特邀报告5次。培养毕业博士生7名，硕士生10名，出站博士后1名，在读博士生9名。其间组织召开了香山科学会议”重大工程及地质灾害中的颗粒物理与力学问题”；组织为期5周的KITPC“Complex dynamics of granular systems”program，期间召开了“颗粒体系复杂动力学”国际会议。项目负责人被国际同行投票选为《国际颗粒材料微观力学专业委员会》(AEMMG)委员，任4年一届的《Powders and Grains》国际会议委员会委员。课题组成员与多个国家的高校和科研院所建立合作关系，促进了该项目的创新水平。主要在以下几方面取得较大进展：.1 系统开展颗粒介质结构分析，建立热力学理论：颗粒介质内部的介观结构对体系的力学性质产生极大的影响。从颗粒角度出发，研究颗粒接触形成的介观结构（如力链网络）、动力学过程及其与宏观力学性质之间关系是介观研究的主要思路，这方面工作是工程建设及地质散体灾害防治关键技术的理论基础。发展了一套完整的颗粒体系光弹技术，量化介观尺度结构特征，开展了静力触探，循环加载等光弹实验，开发了颗粒光弹测量技术和基于严格接触力学的大规模离散元计算技术，分析了力链位形特征，建立了力链位形非仿射变形分布演化方程；提出双颗粒温度概念，描述了速率涨落和应力涨落，建立了双颗粒温度热力学。该理论可以统一描述颗粒体系从准静态变形到快速流动。.2 建立声波在剪切颗粒体系中声速测量实验与模拟方法：建立了以弹塑性滞回模型为基础的数值模拟模型，实验和模拟得到了颗粒介质的应力应变曲线,建立了声波在剪切颗粒介质中传播波速与剪应力以及声速与偏压（轴向压与围压差）的关系。得到声速与颗粒介质所受偏压的1/6次成比例的结论。.3 颗粒力链网络结构分析和动力学：对“轻度堵塞体系”和“深度堵塞体系”的力网络统计性质方面进行了深入的研究，得到两种体系的节点度分布、节点强度分布、簇系数和关联性等方面完全不同的行为。.4 开展大型水槽试验及数值计算分析颗粒流流动规律：依云南东川泥石流观测站水槽，开展颗粒流流速、泥位和堆积形态等的试验测量，得到削减碎屑流灾害破坏力的关键在于限制大块石运动速度。