土石混合體三維結構重建及細觀力學特性研究

《土石混合體三維結構重建及細觀力學特性研究》是依託清華大學，由徐文杰擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：土石混合體三維結構重建及細觀力學特性研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：徐文杰
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

本課題以土石混合體為研究對象，擬自行研發三維細觀結構重建系統，並用於土石混合體試樣的三維重建、三維細觀結構定量分析及數值試驗；通過野外大尺度粒度分析、量測及數字圖像定量分析等方法，提出土石混合體的細觀結構在巨觀統計層次上的規律性；完善已研發的土石混合體三維隨機細觀結構生成系統，用於土石混合體試樣的隨機生成及數值試驗；運用室內大型三軸試驗、基於三維重建模型及隨機模型的細觀力學數值試驗方法，研究土石混合體的變形破壞機制、細觀及巨觀力學行為特徵。本項目的創新點包括：揭示土石混合體細觀結構的規律性；研發土石混合體三維細觀結構生成系統；揭示土石混合體的細觀力學特徵。本項目的研究成果對於揭示土石混合體的在外荷載作用下的細觀應力場特徵、損傷及變形破壞機制、細觀結構與巨觀力學特徵之間的關係，並為建立土石混合體的結構化本構模型具有理論意義；其研究成果對於其它非均質材料的研究也具有借鑑意義和套用價值。

結題摘要

課題以土石混合體為研究對象，從結構性特徵入手，運用力學試驗、數值試驗等技術手段，開展其細觀力學及變形破裂機理研究，並取得了以下重要的研究成果： 1、提出了土石混合體結構性定量評價指標體系，揭示了其內部塊石形態特徵呈現明顯的規律性及細觀結構自組織性特徵，填補了該項研究的空白。 2、開展了土石混合體的多結構及多尺度力學試驗研究，成果表明土石混合體的細觀結構對其力學性質有明顯影響。由於塊石的咬合及骨架作用，試樣抗剪強度隨含石量增大而增大；含石量相等時，含有較多大粒徑塊石的試樣具有較高的偏應力和較小的體縮量。同時也表現出明顯的尺寸效應，由於膜邊界約束及同等尺寸塊石在小尺度試樣的控制性作用，土石混合體軸向偏應力隨試樣尺寸增大而減小。 3、豐富和發展了土石混合體三維細觀結構精細化建模方法，自主研發了一系列土石混合體三維細觀結構精細化建模系統，使得對土石混合體細觀力學研究由二維發展到三維、由隨機模擬發展到真實結構模型生成，為細觀力學計算分析奠定了堅實的模型基礎，到達國際領先水平。 4、提出了基於球顆粒的三維非連續變形分析方法，推導了相應的理論公式，研發了相應的計算程式3D-DDAS，將其套用於顆粒集合體細觀力學及破壞機理研究，取得了較好的效果。 5、發展了土石混合體細觀力學及顆粒力學研究，深入揭示土石混合體的變形破裂機理、宏-細力學性質。建立了系統的顆粒離散元細觀定量分析方法，並開發了軟體分析系統；提出了基於BP神經網路的顆粒離散元細觀力學參數反演分析方法；基於原位及室內試驗成果，用顆粒離散元方法系統開展了土石混合體細觀力學數值試驗研究，深入揭示了土石混合體試樣的巨觀力學行為與變形局部化有密切的聯繫，及變形破裂細觀演化機理。 6、針對我國地震災區發生的重大滑坡災害、堵江形成堰塞體的機理及結構特性開展系統研究工作，提出了其失穩堵江的四階段模式。提出了DDA強度折減法的基本思想，實現了滑坡穩定係數的自動計算分析，將其套用於一大型土石混合體滑坡的二維穩定性特徵及破壞模式研究，為指導防災減災提供了依據。 項目研究成果不但深化和發展了土石混合體細觀力學特性，而且其研究成果也適用於混凝土及其它非均質材料的研究。