研究领域

1 连续破碎力学理论

颗粒破碎及粒径变化问题由来已久，在粉末冶金，矿物和采矿工程，地球物理和岩土力学等研究领域一直是热点问题，同时也是众多学科领域最棘手的问题之一。从颗粒破碎的普遍现象即粒径演变出发，按照物质世界运行规律的热力学框架，建立了连续破碎力学理论。该理论包含以下基本概念及特点：

1）在典型颗分曲线中，通过面积比来定义破碎指标, B, 进而将初始、当前及最终（极限状态下）的累积粒径分布建立起了最简单、直观的线性联系；

2）考虑到颗粒组是由不同粒径的颗粒组成，通过统计均质化的方法，根据各种粒径所占质量比，加权得出集料的弹性自由能；

3）基于颗粒破碎本质上是弹性自由能损耗的行为，定义与破碎程度，B相关的状态函数EB，体现颗粒破碎与自由能之间关系；

4）进而，类似于颗分曲线和B的线性关系假定，我们假定集料破碎后残余的可以用来破碎的能量EB*与B也呈线性关系；

5）考虑当前集料破碎所消耗能量本质上来自于集料内残余破碎能量的进一步损耗，进而提出颗粒集料破碎准则，即：破碎能量耗散=残余破碎能损耗。

2 岩土材料连续破碎本构模型

基于上述连续破碎力学基本思路及概念，针对岩土材料不同特性及不同应用场景的侧重点不同，构建了一系列岩土材料连续破碎本构模型。包括但不限于：

1）考虑线弹性及非线弹性模量的弹-塑-破碎本构模型；

2）考虑颗粒破碎及与临界状态相关的边界面破碎本构模型；

3）考虑初始细粒含量和粗颗粒破碎的土-石混合体破碎本构模型；

4）中主应力影响下考虑颗粒破碎效应的三维化热力学本构模型；

5）颗粒破碎与剪胀耦合的本构模型；

6）考虑胶结断裂能耗机理的破碎-断裂本构模型；

7）引入液压亥姆霍兹自由能，构建考虑饱和度影响的破碎本构模型；

8）考虑应变率及破碎率构建率相关破碎本构模型等。

3 连续破碎本构模型的工程应用

近年来，对一系列破碎本构模型开展了相应的工程应用研究，包括但不限于：地震断裂带岩碎现象研究、堆石坝长期变形研究、盐渍冻土力学性能研究、矿物颗粒碾压破碎研究、钙质砂桩基承载力等。特别是建立了考虑砂土粒径效应的新型桩端承载力系数公式（图3），成功解答了长期困扰学术界的钙质砂内摩擦角大而承载力小的疑惑，荣获2014年获岩土领域顶级期刊《Geotechnique》唯一最佳论文（排名第1），以及英国土木工程师协会（ICE） George Stephenson Medal奖章（排名第1），被评为协会所属40多种期刊最佳论文（唯一）二等奖。