随机场-有限元-离散元并发耦合的岩土材料多尺度破坏过程建模与实验验证

In current research on numerical and computational methods in geomaterials, current methods study the spatial variabilities of geomaterials by coupling random field theory and inite element methods at only single length scale. Linkage to fundamental granular scale calculation (e.g., discrete element methods) is still missing. The objective of this project is fourfold: firstly, taking into account the multiscale nature of geomaterial inhomogeneities, a multiscale random field theory is proposed to cover macro-, meso- and micro- scales, bridging geomaterial property fluctuations across length scales. Secondly, a multiscale framework is developed to couple finite element methods with random field theory, as well as to link meso-scale (continuum scale) finite element computations with micro-scale (granular scale) discrete element computations. Thirdly, the influence of model uncertainty and parameter sensitivity is studied, together with the enhanced Retinex algorithm based on scale optimization, and then the multiscale reconstruction and fine calculation method are proposed to reveal the failure process in heterogeneous geomaterials. Finally, advanced experimental and field investigation technologies are incorporated in the project to verify and validate proposed multiscale framework. The above will propose systematic random field theory and calculation method in geomaterials. Results from the proposed research not only contribute and extend the current methodologies in coupling random fields theory and finite element methods, but also provide a novel way of linking micro-scale features of geomaterials with the macro-scale response of the geosystems. The proposed research will make significant contributions to fundamental scientific problems in numerical and computational methods in geomaterials.

在当前的岩土材料数值计算研究中，岩土材料随机场与有限元数值模拟的耦合研究基本局限于单一尺度内，特别是随机场与离散元尚未进行有效的结合。本项目针对岩土材料空间分布不均质的特点，从宏观、细观到微观的尺度，构建岩土材料多尺度随机场模型，搭建岩土材料跨尺度连接的桥梁；建立与随机场模型相适应的有限元数值模型，以及细观（连续介质尺度）与微观（颗粒尺度）耦合的多尺度计算方法；进行模型不确定性影响及参数敏感性研究，创建尺度优化的Retinex增强算法，提出不均质性岩土材料破坏全过程的多尺度重构与精细计算方法；并分别在试样尺度与工程尺度下对多尺度随机场模型进行实验校准和验证，形成完整的岩土材料随机场理论体系与计算方法。本项目的研究成果不仅可以完善和丰富随机场理论及其与有限元的结合方法，为建立岩土材料微观尺度与宏观反应的联系提供了新的思路和方法，而且为岩土材料数值计算中最根本科学问题的研究做出贡献。

当前工程领域的快速发展衍生了诸多工程灾害问题，由于岩土材料自身的非均匀性产生的岩土工程灾害十分常见，非均质性体现在即使在同一土层，不同位置的岩土材料其力学参数也差异较大。此外，岩土材料的非均质在自然界中又是以多尺度形式存在的。在当前的岩土材料数值计算研究中，岩土材料随机场与有限元数值模拟的耦合研究基本局限于单一尺度内，特别是随机场与离散元尚未进行有效的结合。本项目针对岩土材料空间分布不均质的特点，从宏观、细观到微观的尺度，构建岩土材料多尺度随机场模型；并建立与之相适应的数值模拟算法，实现了离散元-有限元-随机场的多尺度耦合模拟方法；在离散元算法方面展开了深入研究，提出了一种基于傅里叶级数的不规则粒子离散元算法，建立了一种半解析二维赫兹摩擦离散元接触模型；进行模型不确定性影响及参数敏感性研究，创建尺度优化的Retinex增强算法；然后从试样尺度和工程尺度两个方面展开对多尺度随机场模型的验证；尤其在工程尺度验证方面，依托深圳地铁8号线车辆段工程开发了基于BIM的城市轨道交通结构安全自动化监测云平台，并研发了一系列监测设备。本项目的研究成果完善了随机场理论及其与离散元、有限元的结合方法，为建立岩土材料微观结构与宏观力学响应的联系提供了新思路，对岩土材料的多尺度计算力学做出了一定的贡献。开发的自动化监测平台可推广应用于各类地下工程的施工运营中，实现岩土与地下工程安全感控的自动化、信息化，有力地保障地下工程的建设安全。