458：重大工程及地质灾害中的颗粒物理与力学问题

重大工程及地质灾害中的颗粒物理与力学问题

——香山科学会议第458次学术讨论会综述

颗粒物质是指离散态物质体系，是与连续态物质（固体、流体）相区别的另一大类物质形态，呈现出的非线性力响应、结构异质化等特性，和由无序到有序、流动到堵塞等结构与动力学相变过程，是凝聚态物理的学科生长点。颗粒体系的力学现象比普通固体或流体的复杂，涉及准静态变形、变形局部化以及破坏、流变等，是力学研究的前沿。2010年底发布中共中央一号文件《中共中央国务院关于加快水利改革发展的决定》，预计到2020年的十年间，以水电为主的可再生能源将列为能源替代战略的优先领域加以大力发展，重大工程遇到的技术难题，急需科学认识。2008年汶川震区山体表面碎散，在今后长达十多年甚至更长时间里，易于频发大规律泥石流，其碎散的物质组成和运动特征都与以前泥石流规律有本质不同，出乎我们现有经验判断，严重影响我国西南地区国民经济发展和人民生命财产安全。

为聚集物理、力学和工程等领域的科研人员，深入讨论重大工程及地质灾害的若干关键技术及理论基础，凝练颗粒物质物理与力学今后5~10年的前沿科学问题，拓展我国颗粒物质物理与力学研究的深度与广度，更好地服务于我国工程建设和地质灾害防治，2013年4月26日~28日在北京香山饭店召开了以“重大工程及地质灾害中的颗粒物理与力学问题”为主题的香山科学会议第458次学术讨论会。西安电子科技大学郑晓静教授、中国科学院物理研究所于渌研究员、中国科学院物理研究所厚美瑛研究员和中国科学院成都山地所崔鹏研究员担任执行主席，40多位多学科跨领域的专家学者应邀出席此次会议。厚美瑛研究员和崔鹏研究员分别以“颗粒物质的相转变研究”和“山地灾害：未来研究思考”为题作了主题评述报告，郑晓静教授以“散体物质多尺度力学行为的若干研究”为题作了会议总述报告。会议设立了四个中心议题：(1) 颗

粒体系力学性质的连贯研究；(2) 泥石流、碎屑流等地质散体灾害的起动及流动规律；(3) 颗粒体系结构与动力学研究，和(4) 岩土工程细观力学过程与宏观性能。与会专家围绕中心议题就重大工程及地质灾害的若干关键技术及理论基础、拓展我国颗粒物质物理与力学研究的深度与广度进行了深入讨论。

厚美瑛研究员作了“颗粒物质的相转变研究”的主题评述报告。她介绍了颗粒物质的物理特性和颗粒物质的相态，综述了颗粒物质研究的理论、模拟和实验研究方法，对颗粒相变中的类气-液相转变理论模型和类固-液转变的流体力学连续模型在过去二、三十年取得的重要进展以及2013年以非线性物理Lyaponov指数预测相转变发生时间的最新进展做了细致的介绍。

崔鹏研究员的报告“山地灾害：未来研究思考”对山地灾害及其风险，现有的工作基础和未来研究的思考与力学需求作了详尽的阐述。通过山地灾害区域调查与编目，已对山地灾害的区域分布进行调查，建立了山地灾害数据库，从而揭示了山地灾害区域规律，初步认识山地灾害形成机理，基本了解山地灾害运动力学性质，初步构建了山地灾害监测预报技术，开发了山地灾害综合防治技术。从山地灾害学科研究来看，未来主要需在山地灾害动力学（水土耦合细观力学、多相流）；气候变化对灾害的影响；灾害的链生机理与灾害链演化模型；灾害风险管理理论等方面深入研究。在山地灾害动力学方面，迫切需要在灾害研究中融入力学方法和思维，以水土耦合细观力学、多相流等方法解决复杂介质运动和多过程耦合形成机理和运动规律等问题。?

郑晓静教授以“散体物质多尺度力学行为的若干研究”为题的总述报告指出，发展适合于多尺度的系统的模型和模拟方法，寻找和构建微观结构与宏观现象间的联系，探讨新的范式来包括跨尺度耦合的过程是散体物质研究的21世纪最大挑战之一。郑教授回顾了基于物理和工程类理论研究的连续模型，但是由于在很多情况下，可能存在无穷多的微观可能状态且并不能唯一的由某几个宏观条件来决定，很难实现从宏观到微观或细观尺度时解的封闭。郑晓静教授阐述了基于微观量统计的研究，包括基于微观结构、微观运动量、微观接触力的统计，和基于微观信息的本构关系，及其在自然界风沙运动中的研究，认为基于颗粒微观信息的分析是一种自“下”而“上”揭示和描述颗粒系统的宏观行为的有效方法之一，提出正确选取微观表征量并予以有效合理统计是获得

准确宏观行为预测的关键。由于单颗粒子的个体行为与散体物质的局部行为、整体行为是有差异的，对于不同尺度的体系其运动行为的物理机制不同。郑教授提出当科学转移到越来越复杂的系统时，可能统计方法是下一代科学问题的一个重要输入量。它应该部分根植于实验，部分根植于对力学规律的深入的分析。

一、颗粒体系力学性质的连贯研究

鉴于颗粒物质在细观和宏观尺度上的离散和连续双重特征以及它的随机非均质性和本构行为高度非线性, 发展颗粒材料的计算多尺度分析方法对于数值模拟重大工程及地质灾害中复杂的水力-力学耦合过程与渐进破坏现象、揭示其细观机理具有十分重要意义。

颗粒间液桥吸力及其变化对含液颗粒间粘聚力、因而对颗粒材料宏观刚度和剪切强度具有十分重要的效应。在考虑降雨过程及水位提高等环境因素引发的重大工程与地质体灾害时，要特别注意到低、中等饱和度情况下非饱和颗粒材料中同时存在颗粒间液桥效应和孔隙水因液桥存在的非连续局部流动两个重要特征。现有考虑流孔隙流体和颗粒耦合作用的细观模型主要可归结为CFD-DEM, SPH-DEM, LBM-DEM耦合方法，但均没有考虑水－气非混两相流和因液桥存在的间断（液桥间）孔隙水流动。发展非饱和颗粒材料中水力-力学耦合过程多尺度分析计算均匀化方法是今后的工作。

宏观集合态物质指离散物质组合或与连续物质混合组成的体系，认识集合态物质运动规律和起源是对物理学的挑战。地壳岩石层由岩石层块和断层泥组成，应作为大尺度颗粒物质体系处理。在大地构造力作用下，地壳岩石块发生滞滑移动，挤压断层泥，作用力以力链形式传播。这种认识与传统连续介质地震学观点有本质区别，得到大量观测事实证明，可解释以前难以理解的地震学现象。对地震成因、地震前兆和地震预测的研究有重要价值。

二、泥石流、碎屑流等地质散体灾害的起动及流动规律

此中心议题主要从不同的角度审视地质灾害的起动和流动规律。其一，是