基于离散-连续耦合方法研究岩填材料在使用过程中力学特性演变机制

《Powder Technology》：Study on the evolution mechanism of the meso-mechanical characteristics of rockfill materials during the service process based on the discrete–continuum coupling method

面板堆石坝离散-连续耦合模型及其变形机制研究。摘要：基于离散-连续耦合方法，建立面板堆石坝多阶段力学模型，揭示微观接触力链、结构各向异性及颗粒破碎与宏观变形的耦合机制。对比连续模型与实测数据，验证耦合模型在沉降、应力分布及变形预测中的准确性，提出分区耦合策略优化计算效率。

　　在当前水利工程领域，随着水资源需求的上升和能源资源开发的挑战加剧，大型和高坝体结构的建设逐渐成为趋势。这种趋势对岩体材料的变形特性以及坝体的安全性提出了更高的要求。传统的研究方法在描述岩体材料在坝体内的微观相互作用与宏观响应之间的关系方面存在一定的局限性，难以全面揭示岩体材料的变形行为及其对坝体整体性能的影响。为此，研究者们提出了离散-连续耦合模拟方法，旨在结合离散元素法和连续介质模型的优势，更精确地模拟岩体材料的宏观变形及微观力学特性。该方法通过在不同尺度之间建立材料结构的联系，能够更好地揭示坝体在运行过程中各区域的微结构演变规律，从而为工程设计和安全评估提供理论支持。

离散-连续耦合方法的核心在于如何将离散区域与连续区域有效结合，以实现对岩体材料宏观行为和微观机制的综合分析。在连续数值模拟中，通常采用有限元方法来模拟坝体的整体结构特性，如应力和变形等。然而，这种模型在描述材料的粒度级特性，如颗粒破碎、接触演变和结构重组方面存在一定的不足。而离散元素法则能够在微观层面揭示岩体材料的力学行为，如颗粒形状对破碎的影响，以及接触力的变化等。为了弥补这些方法的不足，研究者提出了一种结合两种方法的耦合模拟策略，通过将离散模型与连续模型进行连接，实现对坝体整体结构与微观特性之间的统一分析。

本研究构建了一个离散-连续耦合模型，用于模拟具有面板的岩体坝在建设及蓄水过程中的变形特性。该模型通过设定离散区域与连续区的接触边界，将离散区的接触力和接触力矩传递到连续区的节点，从而实现两种模型之间的信息交互。这一过程的关键在于如何准确地模拟离散区域内的颗粒分布及其与连续区的相互作用。研究者通过将坝体划分为不同的区域，如最大沉降区、代表性坝段和大变形梯度区域，建立了模型中的离散区域，并通过有限差分方法模拟了坝体在不同阶段的结构特性。

在模型构建过程中，研究者采用了一种分步加载的方式，以模拟坝体的建设过程和蓄水过程。在建设阶段，模型通过计算坝体各部分的沉降分布，确定最大沉降区域的位置，并在此基础上设置离散区域。为了提高计算效率，研究者采用了一种预平衡策略，生成离散颗粒并进行预处理，以便后续快速导入模型。在蓄水阶段，模型将离散区域与连续区域进行连接，通过导入预平衡后的颗粒模型，实现对坝体整体行为的模拟。模型的终止条件则基于计算的平衡状态，即平均不平衡率达到一定的标准。

研究还对不同区域的微结构特性进行了定量分析，包括力链演化、接触方向和接触力的分布规律，以及颗粒排列的协调数。通过对比不同模型的计算结果，研究者发现离散-连续耦合模型能够准确反映坝体的宏观变形和应力分布特性，其计算结果与实际测量数据之间存在良好的一致性。在某些关键区域，如3BII区域，模型计算的沉降值和连续模型相比略有差异，但整体误差较小，说明耦合模型在模拟岩体坝变形特性方面具有较高的可靠性。

此外，研究还分析了不同区域的接触方向和接触力的变化规律。通过引入织构张量系数，研究者能够定量描述接触方向的各向异性特征，以及接触力的分布情况。结果表明，在不同区域，接触方向和接触力的分布存在显著差异。例如，在3A区域，由于其靠近上游坝面，接触方向的各向异性较为明显；而在3C区域，接触方向基本保持球形分布，各向异性较低。这种差异主要来源于各区域的应力环境和颗粒排列方式的不同。研究还发现，随着坝体的填筑和蓄水过程，不同区域的接触力和力链特性会发生变化，这种变化在蓄水阶段尤为显著。

在模型的构建和应用过程中，研究者还考虑了模型参数的确定和调整。通过参考以往的研究成果，并结合离散元素模型的三轴试验数据，研究者对模型的参数进行了校准，以确保其能够准确反映岩体材料的实际物理特性。模型的参数包括正常接触刚度、切向接触刚度、摩擦系数、临界阻尼比等，这些参数的调整对于模拟结果的准确性至关重要。此外，研究者还对不同区域的颗粒分布进行了简化处理，以提高计算效率，同时尽可能保留对实际物理特性的影响。

研究还发现，离散-连续耦合模型在模拟岩体坝的变形和应力分布时，能够提供比传统连续模型更全面的信息。这不仅有助于理解岩体材料在不同阶段的微结构演化，还能够揭示其在实际工程条件下的变形规律。例如，在建设阶段，各区域的颗粒排列和接触力分布会随着填筑高度的增加而发生变化，而在蓄水阶段，水压力的增加会进一步改变这些特性。研究者通过对比不同模型的计算结果，发现离散-连续耦合模型在模拟坝体的变形和应力分布时，其结果与传统连续模型高度一致，这表明该模型在工程实践中具有良好的适用性。

尽管研究取得了重要的进展，但在模型的应用过程中仍存在一些限制。首先，二维模型在模拟岩体坝的三维力学特性时可能存在一定的不足，因为忽略y轴方向的位移效应可能会对模型的全面性造成影响。其次，离散元素模型的微观参数难以通过实验精确确定，因此研究者通过参考已有研究和模型校准来确定这些参数，这可能会影响模拟结果的准确性。此外，离散区域的几何形状对颗粒的力学行为有显著影响，不同区域的颗粒排列和接触力分布可能存在差异。最后，研究者对颗粒分布进行了简化处理，以提高计算效率，但这种简化可能会影响模型对实际物理特性的反映。

综上所述，本研究通过构建离散-连续耦合模型，深入探讨了具有面板的岩体坝在建设及蓄水过程中的宏观和微观力学特性。研究不仅揭示了岩体材料在不同区域的变形机制，还为岩体坝的设计和施工控制提供了重要的理论支持。尽管研究存在一定的局限，但其提出的耦合方法为理解岩体坝的变形行为和提高工程安全性提供了新的思路和方法。未来的研究可以进一步优化模型参数的确定方法，提高计算效率，并探索更复杂的三维模型，以更全面地模拟岩体坝的力学特性。