颗粒接触蠕变破损对堆石料宏观流变行为的影响

Aiming at the unregular shape and typical rock grains with different identification radius in rockfill materials, the expriments on breakage of contact area of those grains will be carried out, the full field deformation and time related data of the contact will be obtained quantificationly by non-destructive digital image and high resolution image recognition technology; while the damage information of local contacts will be captured by the acoustic emission system. The project will focus on the process from local deform to breakage near contacts area between edge-edge or edge-nonsmooth surface under the conditions of compression or compressed shear among the two grains, and will obtain the creep breakage strength of dry grains and the effect of the water content on that of wet grains, and construct the correspoding discrete particle model for the creep breakage and numerical methods. Refering to and developing the homogenation methods and multiscale theories, the contiuum models and two-scale models for granular materials which represent the creep behavor will be built up , and numerial resolution system will be formulated. The reseach of the project will provide a scientific foundation for describing quanlifly the complex creep behavior of rockfill materials.

针对堆石料中不同代表颗径的非规则岩质颗粒，开展两个典型颗粒接触点局部变形、破损实验，采用非接触式的数码成像及其高精度图形辨识技术定量获取颗粒接触的全场变形和时间相关性数据；同时采用可定位声发射系统捕捉颗粒接触局部破损信息的时间相关性，研究颗粒压缩、压剪条件下颗粒的棱角-棱角、棱角-非光滑面接触点附近的局部变形直至破损的全过程，获取干颗粒的破损强度及含水量对变形、破损的影响，建立相应的离散颗粒破损蠕变模型并发展其数值模拟方法，借鉴和发展均匀化方法和多尺度理论获得表征元模型，并采用堆石料常规大三轴试验数据实现修正或证实，继而建立能够反映颗粒材料蠕变行为的连续介质模型和两尺度模型，构建相应的数值求解格式，探索堆石料在颗粒层次接触蠕变破损机制对其宏观层次流变行为影响的两尺度研究途径，为定量表征堆石料的复杂流变行为提供科学支撑。

本项目旨在探索颗粒接触蠕变破损对堆石料宏观流变行为的影响机制及其定量表达。所完成的工作包括三个方面：.在理论研究方面，加深了对堆石料宏观流变发生机制的科学认知。堆石料中非规则颗粒接触局部一般处在较高的应力水平，所开展的实验证实：颗粒接触蠕变破损必然会发生，从而明确了堆石料产生流变的机制。另一重要进展是探索堆石料缩尺效应的定量表达，将Cosserat理论引入了堆石料非线性瞬时变形和长期变形计算框架，利用内秉尺寸的调谐及其基于数值模拟获得尺度率，可以克服堆石料室内缩尺颗粒的试验参数与工程原型颗粒物性之间的差别。.在颗粒接触实验研究方面，以两河口芯墙堆石坝的现场取样灰岩颗粒为实验样本材料，基于试制的增量加载和恒力加载装置，辅助DIC三维非接触应变测量系统和声发射测量系统等量测仪器，开展了非规则干-湿灰岩颗粒在压缩或者压剪条件下的接触变形、局部破损和颗粒破碎实验，获得了单颗粒等效破碎强度计算方法、两颗粒接触瞬时力—变形统计曲线、两颗粒接触时间相关变形的统计曲线、颗粒破碎力与颗粒表征粒径的统计关系、非规则表面形貌分形维数受载前后演化量测、颗粒接触蠕变破损对应力水平的相关性等重要进展。.在数值模拟方面，在有限元模拟中，基于Cosserat连续体理论，明确了内秉尺度的物理意义并建议了取值范围，可用于克服堆石料室内试验参数中的缩尺效应，更合理地表征堆石料离散物理性质，所预测的瞬时变形更吻合工程原型观测数据；对于堆石料的宏观流变，发展了一种能反映堆石料变形与压力相关的粘弹塑性本构，模拟的蠕变能与室内常规大三轴实验及工程原型观测数据相一致。离散元模拟研究中，基于多尺度的表征元途径，提出了一种表征颗粒粒径分布的分形并在YADE中实现了具备颗粒分形属性的2D/3D数值样本生成算法，可以模拟和评价不同颗粒级配对堆石料变形与强度的影响；还提出了一种均匀化方法，使连续模型保留了颗粒物质中的颗粒骨架和孔隙微结构物性，为研究颗粒材料多尺度模拟开辟了新途径。