香山科学会议：重大工程及地质灾害中的颗粒物理与力学问题

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，是从物质的本质是由颗粒构成的基本原理出发，以地质灾害为背景探讨建立和形成颗粒体系的理论，求得在统一理论框架下认知地质灾害的启动及流动规律，称之为以基础理论研究为主的颗粒物理方法。其二，是以解决工程问题为目的，在将工程地质经验转化为力学定量化方法的过程中，建立颗粒、固体、流体的统一表述的理论模型，称之为以工程科学为指导思想的连续—非连续力学方法。其三，建立颗粒的基本特性与宏观材料之间的关系，深化研究岩土材料的结构性及工程特性，是上述两种方法共同关心的问题。学者们不同方法相互融合与争竞，必将推动我国地质灾害理论与应用技术的发展。颗粒物理方法的学者，强调颗粒物质的基本单元是离散的颗粒。颗粒物质包含了分子和原子、颗粒和颗粒结构、和颗粒体系三类尺度；颗粒和颗粒结构是颗粒体系的基本结构，其规律是颗粒物质力学研究的核心内容，应重点研究颗粒接触形成的介观结构、动力学过程及其宏观力学性质之间的关系。专家特别关注对力链长度和热力学温度外延。颗粒物质的力链长度在二维和三维实际问题中将会均匀化，随着距离的衰减规律有待确认和再认识。力链是颗粒物质中重要的物理现象，是数值模拟计算得到的物理量，表征了介质的不均匀程度，有待于量化并建立与可测物理量之间的关系。将热力学温度与分子热运动速度关联的方法外延，用颗粒温度表征颗粒的运动速度和变形的规律是可行的。而分子布朗运动与宏观颗粒在体力及动力作用下的运动有本质的区别，不可同日而语，根本原因在于颗粒的体力（惯性力）与颗粒间相互作用力之比不同。连续—非连续力学方面的研究学者，建议地质灾害研究应以地学为基础、力学（物理）为手段，工程为目的开展学科交叉研究。提出了两个地质灾害防治研究新的研究理念，其一，将地质灾害的成灾过程预测转化为破坏状态的判断；其二，将现场监测与数值模拟相结合，建立可测物理量与内部破坏状态之间的联系。认为力学中点的破坏概念，不适合描述地质灾害问题，而应该用破坏程度表述。陈述了地质体既有破坏、局部再破坏、贯穿性破坏、碎裂性破坏和运动性破坏的特征，论述了地质体内部的破裂面积表征破坏状态，给出了破裂度的概念和求解破裂度的方法以及应变强度分布准则和单元破裂度的定义和量化方法。与会专家非常关注破裂度理论表述的合理性，存在着相同破裂面积在不同位置有不同的权重与灾变过程中位置权重有分析方法自然突显的认识有别。应变分布准则中代表性体积单元等应变假设初始计算精度较低，可以通过自适应网格和单元自动剖分弥补。地质体内部破裂只能是局部可测的物理量，反映在地表的破裂是全局可测物理量，因此，这一概念需通过数值模拟与现场监测相结合。与会专家们还展示了建立颗粒特性和宏观力学行为方面的理论和试验研究成果。在岩土工程方面，重点研究颗粒几何形态、表面特征和物理特性以及颗粒分形结构对材料特性影响，建立复杂材料力学理论。通过试验与数值模拟技术研究颗粒流变关系转化，得到了颗粒材料类固态、类液态以及相变过程的本构方程。三、颗粒体系结构与动力学研究此中心议题讨论了典型的非晶体系，如金属玻璃、胶体玻璃、颗粒物质等的结构和动力学特性的实验和理论模拟研究进展。这些颗粒体系呈现出的基础物理问题的研究对解决重大工程和地质灾害中的实际问题可以从基础物理角度提供新思路和视角。非晶体系由于长程有序性的缺失具有复杂的结构、动力学和相变特性，也是自然界广泛存在的物质形态。非晶体系的研究是目前跨学科的国际前沿研究领域，其中蕴含了极其丰富而又难解的基础物理问题，比如，玻璃化转变的相变性质及玻璃本质、近年来广受关注的Jamming转变的临界性及其与玻璃化转变的区别与联系、非晶固体在热涨落或应力作用下不稳定性形成的结构起因、非晶固体声子模式特异性的形成机制及其在理解非晶固体宏观特性上的应用、颗粒流等非热力学平衡体系的统计力学描述，等等。除了基础物理问题的研究，非晶体系由于其特有的性质在材料、工程、运输、制造、灾害的预报与防护等领域都有广泛的应用。例如，金属玻璃的高强度、高弹性、高断裂韧性、良好的塑性等特性使其成为有良好应用前景的材料；颗粒物质物理的深入理解对寻找地震等地质灾害的起因势必会起到很好的促进作用，等等。我国从事非晶体系物理研究的人才队伍也在日益壮大，已经逐渐形成一支很有实力和活力的研究队伍。我国目前非晶体系物理研究涵盖了金属玻璃、胶体、颗粒物质等典型的非晶体系，有实验、理论与模拟各方面的研究人才，各个研究组都在开展实质性的合作与交流。大家都在为能够针对以上罗列的一系列非晶物理的关键基础问题做出突破而努力，这些问题也是国际同行广泛关注的，也将是我国在未来10年内各个研究组致力攻关的问题。四、岩土工程细观力学过程与宏观性能颗粒物质的研究将从以完善和改进唯象经验公式为主，逐渐转向注重宏观物理理论的构建，注重吸取细观尺度研究的新思想和新发现以及与宏观－细观尺度研究的结合，注重开发颗粒体系力学测量技术和高性能数值计算技术的应用。可以预见在今后10年间，颗粒体系热力学理论、统计力学和细观尺度研究将得到系统发展，逐渐形成完整的颗粒物质理论体系，该学科缺乏理论的局面得到改善。颗粒物质与颗粒流研究的持久生命力来源于其自然界与工程中的广泛应用，因此要紧密结合工程建设和重大地质灾害防治，凝练其关键技术的核心科学问题，促进“微观与宏观、定性与定量”结合研究，提升我国工程建设质量和地质灾害研究水平。近10年以来，我国颗粒物质及颗粒流的研究队伍不断壮大，广泛分布在力学、物理、岩土、水利和地质灾害等基础研究和工程应用等不同领域中，各自的研究侧重点不同，对颗粒物质和颗粒流共性的力学问题的研究相对滞后。在今后10年间，我国对颗粒物质和颗粒流的力学研究主要集中在3个方面：(1)构建颗粒物质和颗粒流理论体系，全面描述颗粒系统的力学性质。适用于稀疏颗粒流的颗粒动理学理论，其基本方程是描述颗粒速度分布演化的Boltzmann方程。在离散元计算为主要手段的细观尺度研究基础上，