方向負(fù)責(zé)人：石修松特聘教授

參與人：劉凱、熊昊

土石混合體廣泛分布于我國西南山區(qū)和東南沿海地區(qū)，是由礫石、砂和細(xì)粒土體及孔隙構(gòu)成的極端非均質(zhì)松散巖土體。作為山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的重要載體，其變形機(jī)理及本構(gòu)理論研究對突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害評估具有重要的理論價(jià)值。深圳大學(xué)未來地下城市研究院團(tuán)隊(duì)長期致力于土石混合體的變形計(jì)算領(lǐng)域的研究，①提出了土石混合體尺寸效應(yīng)表征方法^[1]，采用復(fù)雜接觸網(wǎng)絡(luò)分析方法定義了“細(xì)粒橋”，并闡明了其在“粗粒強(qiáng)化”效應(yīng)中的重要貢獻(xiàn)^[2,3]；②明確了多尺度結(jié)構(gòu)演化對土石混合體強(qiáng)度和剛度的影響機(jī)理，構(gòu)建了統(tǒng)一結(jié)構(gòu)變量描述土石混合體的粗粒強(qiáng)化效應(yīng)，并建立了土石混合體變形分析的簡化均勻化方法^[4,5]；③建立了基于簡化均勻化方法的土石混合體系列本構(gòu)模型^[5,6]，并將其應(yīng)用于土石混合堆積體的穩(wěn)定性分析，提出了土石混合體地基承載力和邊坡穩(wěn)定性的簡化分析方法^[7]。研究成果形成了土石混合體多尺度結(jié)構(gòu)表征和變形分析方法，可為山區(qū)復(fù)雜堆積體地質(zhì)災(zāi)害分析提供一定的理論基礎(chǔ)。

圖1 土石混合體多尺度變形分析

圖2 逐級加載條件下二元顆粒介質(zhì)光彈圖像及

接觸力鏈網(wǎng)絡(luò)演化

圖3 土石混合體地基承載力簡化計(jì)算方法

方向負(fù)責(zé)人：金銀富&費(fèi)建波特聘教授

巖土工程中的大變形災(zāi)害，如隧道坍塌、邊坡失穩(wěn)、基坑突水突涌及海底滑坡等，普遍呈現(xiàn)出強(qiáng)非線性與多物理場耦合的復(fù)雜特性。傳統(tǒng)的有限元方法在處理此類問題時(shí)，常因網(wǎng)格嚴(yán)重畸變及計(jì)算效率低下而受限，難以精確捕捉災(zāi)害的完整演化過程和影響范圍。在此背景下，深圳大學(xué)未來地下城市研究院團(tuán)隊(duì)針對該難題取得了系列突破性進(jìn)展：

（一）團(tuán)隊(duì)獨(dú)創(chuàng)性地將應(yīng)變光滑方法與粒子有限元方法（PFEM）深度融合，提出了穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)積分的粒子有限元方法（SNS-PFEM）^[1-3]。該方法成功實(shí)現(xiàn)了對巖土介質(zhì)從微小變形到大變形乃至破壞全過程的連續(xù)、光滑模擬，不僅顯著拓寬了傳統(tǒng)網(wǎng)格類方法的適用邊界，亦有效提升了粒子有限元方法的計(jì)算效率與精度；

（二）原創(chuàng)性提出了顆粒流變耦合的類液態(tài)土動(dòng)力學(xué)統(tǒng)一理論框架^[6-9]，突破傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)理論對顆粒摩擦—流動(dòng)耦合機(jī)制的表征局限，建立“準(zhǔn)三維”（類圣維南方程）→“真三維”（N-S方程拓展）的漸進(jìn)式建模方法，首創(chuàng)剪脹效應(yīng)嵌入的μ(J)-剪脹聯(lián)立準(zhǔn)則，建立飽和顆粒滾波Froude數(shù)判據(jù)，實(shí)現(xiàn)海底滑坡運(yùn)動(dòng)從薄層流到三維質(zhì)量流的跨尺度描述；

（三）基于自主研發(fā)的SNS-PFEM方法，構(gòu)建了能夠處理復(fù)雜多物理場耦合問題的計(jì)算體系，開發(fā)了適用于流固耦合的單點(diǎn)兩相^[4]及兩層兩相^[5]穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)積分粒子有限元方法，并成功應(yīng)用于模擬水位變動(dòng)誘發(fā)的邊坡失穩(wěn)、水下大型滑坡及其可能引發(fā)的災(zāi)害性涌浪等典型工程場景，驗(yàn)證了所提方法的工程實(shí)用性。

上述研究成果極大地增強(qiáng)了對巖土工程大變形災(zāi)害動(dòng)態(tài)過程的精細(xì)化模擬與預(yù)測能力，有效攻克了傳統(tǒng)數(shù)值方法在極端變形分析中的瓶頸問題。相關(guān)技術(shù)已成功應(yīng)用于多個(gè)實(shí)際災(zāi)害案例的分析及工程風(fēng)險(xiǎn)評估中，為提升我國防災(zāi)減災(zāi)水平提供了強(qiáng)有力的科學(xué)工具和關(guān)鍵技術(shù)支撐。

圖1 穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)積分粒子有限元方法及模擬案例

圖2 “準(zhǔn)三維”、“真三維”模型用于模擬顆粒塌滑以

及二蠻山、文家溝滑坡災(zāi)變過程和引發(fā)沖擊氣浪

圖3 兩層兩相穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)積分粒子有限元方法

圖4 基于二階錐規(guī)劃求解的物質(zhì)點(diǎn)法

方向負(fù)責(zé)人：楊杰特聘教授

參與人：熊昊

潛蝕作為巖土工程中典型的多物理場耦合現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為滲流作用下細(xì)顆粒脫離土骨架遷移，引發(fā)孔隙結(jié)構(gòu)改變與力學(xué)性能劣化。由于潛蝕過程深藏于土體內(nèi)部且演化路徑不可視，極易導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)、隧道涌水及地面塌陷等突發(fā)性災(zāi)害。傳統(tǒng)方法在潛蝕災(zāi)變?nèi)^程模擬與多場耦合機(jī)理解析方面已顯現(xiàn)明顯局限性。針對這一挑戰(zhàn)，本研究團(tuán)隊(duì)聚焦?jié)B流-潛蝕-變形耦合機(jī)制，在基礎(chǔ)理論與宏微觀模擬方法層面取得雙重突破：

（一）構(gòu)建了多場耦合潛蝕理論體系。提出了水力驅(qū)動(dòng)下顆粒遷移-堵塞行為的定量判定方法，揭示了孔隙骨架結(jié)構(gòu)、細(xì)顆粒遷移路徑與局部堵塞演化之間的內(nèi)在關(guān)系，提出接觸網(wǎng)絡(luò)各向異性指標(biāo)^[1-3]。通過揭示滲流場與顆粒遷移的動(dòng)力學(xué)關(guān)聯(lián)機(jī)制，建立了考慮孔隙率動(dòng)態(tài)演化的土體強(qiáng)度劣化模型，攻克了潛蝕過程中微觀結(jié)構(gòu)變異與宏觀力學(xué)響應(yīng)關(guān)聯(lián)表征的難題^[4-6]。

（二）創(chuàng)新建立了同時(shí)考慮水力梯度、顆粒粒徑與真實(shí)形貌特征的CFD-DEM數(shù)值模型^[7-8]，實(shí)現(xiàn)了從細(xì)觀到宏觀尺度的顆粒結(jié)構(gòu)演化與力學(xué)響應(yīng)全過程的定量可視化，揭示了滲流潛蝕條件下的土體破壞機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了從水-土相互作用到水-土-結(jié)構(gòu)協(xié)同演化的全過程仿真^[9-10]。研究成果解決了土體內(nèi)部強(qiáng)度劣化隱蔽性強(qiáng)、變異性高、預(yù)測難度大的難題，成功應(yīng)用于土工結(jié)構(gòu)物滲流失穩(wěn)預(yù)測、盾構(gòu)隧道開挖、注漿、滲水、穿越已有建構(gòu)筑物等關(guān)鍵問題的精細(xì)化分析，為地下空間開發(fā)提供了重要科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

圖1 多物理場環(huán)境下的巖土工程災(zāi)變機(jī)理

與預(yù)測方法及模擬案例

圖2 潛蝕過程與土體力學(xué)特性的耦合機(jī)制

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錨固沖刷

系泊動(dòng)力隨浪模擬