堆石体多尺度模型与宏细观力学特性研究

  • 获奖名称: 堆石体多尺度模型与宏细观力学特性研究
  • 获奖等级: 二等奖
  • 获奖类别: 长江水利委员会青年科学技术奖
  • 授奖单位: 长江水利委员会
  • 完成单位: 长江水利委员会长江科学院
  • 获奖年度: 2021
  • 获奖人员: 胡超、李志、杨胜梅、万鹏、秦朋
  • 成果简介:本项目属于水利工程建设与运行领域。 我国是当今世界高坝建设的中心，堆石坝由于取材方便、地形适应性强等优点，是三大主流坝型之一。目前在建、拟建坝高超过200m的堆石坝已达17座，超出了现行规范的适用范围。对筑坝颗粒材料力学特性认识不足已制约了高堆石坝建设。2009年美国科学院认为“颗粒力学”是未来10年力学面对的重大挑战，2014年中国科学院将它列为力学学科的6个基础与前沿领域之一。因此，开展堆石体宏细观力学特性研究具有重要的理论意义和应用价值。 本项目依托国家自然科学基金、中央级公益性科研院所基本科研业务费等基础科研项目和水布垭、龙背湾等大型水电工程，针对堆石体细观变形机理、堆石坝宏观变形预测等关键技术难题，开展堆石体多尺度模型与宏细观力学特性研究。主要创新成果如下： （1）提出了一种分阶耦合有限元-离散元的多尺度模拟方法，细观尺度上采用离散颗粒模型，宏观尺度上采用有限元法，从对应于每个高斯积分点的离散颗粒集合体提取本构关系用于整体求解。该方法既能避免传统连续方法对基于唯象假定的本构关系的依赖，又能克服单纯离散元不能有效模拟大尺度工程问题的缺点，同时还可以将宏观响应与颗粒材料的细观机制有效关联。 （2）在随机散粒体不连续变形方法的基础上，引入内聚力模型，提出了堆石颗粒破碎的模拟方法。在分析颗粒破碎力学机制的基础上，通过界面单元的起裂、扩展和失效，模拟了堆石体的颗粒破碎，实现了岩石等准脆性材料开裂扩展的数值模拟。该方法能够显式地模拟三维颗粒破碎现象，不需要在裂缝尖端重新剖分网格，确保了数值计算的稳定性，提高了计算效率。 （3）建立了堆石体锚固数值模型，分析了加锚堆石体的宏观与细观力学性能，研究了加锚密度及其与颗粒粒径的关系对堆石体力学性质的影响，得出了各锚固因素对堆石体锚固状态的影响程度，在宏、细观多层次上揭示了静动力作用下堆石体的响应机制及锚固效应。 项目取得国家专利4项，出版专著1部，发表学术论文41篇，其中5篇代表性论文SCI他引67次、CSCD他引33次。 项目成果已成功应用于水布垭、龙背湾等大型水利水电工程，取得了显著的社会和经济效益。