方向负责人：石修松特聘教授

参与人：刘凯、熊昊

土石混合体广泛分布于我国西南山区和东南沿海地区，是由砾石、砂和细粒土体及孔隙构成的极端非均质松散岩土体。作为山区地质灾害的重要载体，其变形机理及本构理论研究对突发性地质灾害评估具有重要的理论价值。深圳大学未来地下城市研究院团队长期致力于土石混合体的变形计算领域的研究，①提出了土石混合体尺寸效应表征方法^[1]，采用复杂接触网络分析方法定义了“细粒桥”，并阐明了其在“粗粒强化”效应中的重要贡献^[2,3]；②明确了多尺度结构演化对土石混合体强度和刚度的影响机理，构建了统一结构变量描述土石混合体的粗粒强化效应，并建立了土石混合体变形分析的简化均匀化方法^[4,5]；③建立了基于简化均匀化方法的土石混合体系列本构模型^[5,6]，并将其应用于土石混合堆积体的稳定性分析，提出了土石混合体地基承载力和边坡稳定性的简化分析方法^[7]。研究成果形成了土石混合体多尺度结构表征和变形分析方法，可为山区复杂堆积体地质灾害分析提供一定的理论基础。

图1 土石混合体多尺度变形分析

图2 逐级加载条件下二元颗粒介质光弹图像及

接触力链网络演化

图3 土石混合体地基承载力简化计算方法

方向负责人：金银富&费建波特聘教授

岩土工程中的大变形灾害，如隧道坍塌、边坡失稳、基坑突水突涌及海底滑坡等，普遍呈现出强非线性与多物理场耦合的复杂特性。传统的有限元方法在处理此类问题时，常因网格严重畸变及计算效率低下而受限，难以精确捕捉灾害的完整演化过程和影响范围。在此背景下，深圳大学未来地下城市研究院团队针对该难题取得了系列突破性进展：

（一）团队独创性地将应变光滑方法与粒子有限元方法（PFEM）深度融合，提出了稳定节点积分的粒子有限元方法（SNS-PFEM）^[1-3]。该方法成功实现了对岩土介质从微小变形到大变形乃至破坏全过程的连续、光滑模拟，不仅显著拓宽了传统网格类方法的适用边界，亦有效提升了粒子有限元方法的计算效率与精度；

（二）原创性提出了颗粒流变耦合的类液态土动力学统一理论框架^[6-9]，突破传统连续介质理论对颗粒摩擦—流动耦合机制的表征局限，建立“准三维”（类圣维南方程）→“真三维”（N-S方程拓展）的渐进式建模方法，首创剪胀效应嵌入的μ(J)-剪胀联立准则，建立饱和颗粒滚波Froude数判据，实现海底滑坡运动从薄层流到三维质量流的跨尺度描述；

（三）基于自主研发的SNS-PFEM方法，构建了能够处理复杂多物理场耦合问题的计算体系，开发了适用于流固耦合的单点两相^[4]及两层两相^[5]稳定节点积分粒子有限元方法，并成功应用于模拟水位变动诱发的边坡失稳、水下大型滑坡及其可能引发的灾害性涌浪等典型工程场景，验证了所提方法的工程实用性。

上述研究成果极大地增强了对岩土工程大变形灾害动态过程的精细化模拟与预测能力，有效攻克了传统数值方法在极端变形分析中的瓶颈问题。相关技术已成功应用于多个实际灾害案例的分析及工程风险评估中，为提升我国防灾减灾水平提供了强有力的科学工具和关键技术支撑。

图1 稳定节点积分粒子有限元方法及模拟案例

图2 “准三维”、“真三维”模型用于模拟颗粒塌滑以

及二蛮山、文家沟滑坡灾变过程和引发冲击气浪

图3 两层两相稳定节点积分粒子有限元方法

图4 基于二阶锥规划求解的物质点法

方向负责人：杨杰特聘教授

参与人：熊昊

潜蚀作为岩土工程中典型的多物理场耦合现象，主要表现为渗流作用下细颗粒脱离土骨架迁移，引发孔隙结构改变与力学性能劣化。由于潜蚀过程深藏于土体内部且演化路径不可视，极易导致边坡失稳、隧道涌水及地面塌陷等突发性灾害。传统方法在潜蚀灾变全过程模拟与多场耦合机理解析方面已显现明显局限性。针对这一挑战，本研究团队聚焦渗流-潜蚀-变形耦合机制，在基础理论与宏微观模拟方法层面取得双重突破：

（一）构建了多场耦合潜蚀理论体系。提出了水力驱动下颗粒迁移-堵塞行为的定量判定方法，揭示了孔隙骨架结构、细颗粒迁移路径与局部堵塞演化之间的内在关系，提出接触网络各向异性指标^[1-3]。通过揭示渗流场与颗粒迁移的动力学关联机制，建立了考虑孔隙率动态演化的土体强度劣化模型，攻克了潜蚀过程中微观结构变异与宏观力学响应关联表征的难题^[4-6]。

（二）创新建立了同时考虑水力梯度、颗粒粒径与真实形貌特征的CFD-DEM数值模型^[7-8]，实现了从细观到宏观尺度的颗粒结构演化与力学响应全过程的定量可视化，揭示了渗流潜蚀条件下的土体破坏机制，实现了从水-土相互作用到水-土-结构协同演化的全过程仿真^[9-10]。研究成果解决了土体内部强度劣化隐蔽性强、变异性高、预测难度大的难题，成功应用于土工结构物渗流失稳预测、盾构隧道开挖、注浆、渗水、穿越已有建构筑物等关键问题的精细化分析，为地下空间开发提供了重要科学依据和技术支撑。

图1 多物理场环境下的岩土工程灾变机理

与预测方法及模拟案例

图2 潜蚀过程与土体力学特性的耦合机制

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锚固冲刷

系泊动力随浪模拟