2024智星云-MatDEM奖学金14个作品
活动介绍
入围同学
（按拼音顺序排序）
1 曹军
中国建筑第八工程局有限公司 岩土工程
研究内容：在MatDEM中，时步是系统默认的一个固定值。通过多次使用MatDEM建模的经验，感觉模拟过程中颗粒的移动比较生硬。我感觉可能和时步固定有关系，因此通过建立一个开口管桩静压沉桩的数值模型来进行对比分析。一个采用系统默认时步(dT)进行模拟，一个为变化的时步（bT）进行模拟。引入一个和颗粒间重叠量大小有关的系数，在数值模拟过程中，每一次平衡计算中当前颗粒间最大重叠量为maxD，活动单元的最小半径为minR，设定一个颗粒间重叠量的允许值（占最小半径的百分比）y1（本次为0.3）。实现效果为：颗粒间作用力越大，重叠量越大，时步越小，颗粒间作用力越小，重叠量越小，时步越大，变化范围可通过设置下限和dT的值来控制。模拟结果如下图所示，时步变化的土塞形成过程非常清楚，而固定时步的则表现为闭口管桩的沉桩过程，未见土塞的形成。通过时步优化，数值模拟结果更贴近物理现实，颗粒移动过程也相对更流畅。并且该模型可用于静压管桩的施工研究。
2 耿焕
爱丁堡大学 土木工程 博一
研究内容：撞击采样是适用于小行星表面微重力环境的采样方式，目前已成功应用于Hayabusa 1和Hayabusa 2小行星探测任务。本文基于国产高性能离散元软件MatDEM，建立了小行星微重力撞击采样模型，探究了初始撞击速度和弹体形状对撞击后风化层内部特征和溅射颗粒的影响。结果表明，提高初始撞击速度能够增大风化层相同区域内部应力和密实度，提高溅射颗粒数量和来自风化层深部的颗粒数量。在风化层相同区域，锥头弹体能够产生最大的应力峰值，平头弹体产生的应力峰值最小。圆形和平头弹体产生的溅射颗粒数量最多，且具有最好的深部采样能力。锥头弹体产生的溅射颗粒数量最少，深部采样能力最弱。结论有助于理解撞击过程内部机理，为深空探测中的撞击采样方案设计提供参考。
研究成果：第一作者的身份在《高校地质学报》上发表论文。
[1]耿焕,等.(2024).基于离散元模拟的小行星微重力撞击采样研究. 高校地质学报(02),196-206.doi:10.16108/j.issn1006-7493.2022094.
3 胡静
中国矿业大学 岩土工程
研究内容：采用三维离散元法（DEM）模拟加热和冷却热渗透试验。本研究研究了土壤颗粒在渗透过程中的力学行为，并考察了温度边界条件、覆盖层负荷和加热时间对探针-土壤系统传热机制的影响。渗透模拟结果表明，覆盖层载荷越大，尖端阻力(（qc）、套筒摩擦（fs）和颗粒各向同性的增加，而对渗透诱导位移分布的影响较小。尽管不同温度边界条件的影响可以忽略不计，但DEM模型的热响应表明，探头加热模块的峰值温度和土壤冷却速率均随覆盖层负荷的增加而升高，而探头保温段呈下降趋势。热集中在锥尖和探头轴附近，随着加热时间的延长，高温区域逐渐扩大。此外，热耦合分析表明，传热过程对粒状土壤的力学性能的影响较小。
研究成果：在《Computers and Geotechnics》上发表了一篇SCI论文。
[1]Mo,P. Q., Hu, J.*, Hu, Y. C., Wang, K. J., Eslami, A., Gao, L. Discrete elementmodelling of thermal penetration test with heating and cooling. Computers andGeotechnics, 2023, 161:105600.
4 李爽
兰州大学 地质工程
研究内容：我们提出了一种离散元数值模拟和深度学习相结合的方法，实现了基于颗粒结构的土体宏观力学参数快速预测。采用功能强大的国产开源离散元模拟软件MatDEM，搭建了砂土的单轴压缩案例，通过自主编程，实现了设定不同粒径DEM粒子的随机分布。模拟了3500组不同土体结构的单轴压缩试验（图1为某一试验的初始条件），并获得土体弹性模量。采用切片的方法对三维离散元模型进行切割获得多层二维横截面数据，堆叠形成新的三维数据以表示土体的结构，搭建与弹性模量对应的数据库，并搭建了三维卷积模型。总的来说，结合MatDEM和深度学习，实现了对不同结构土体弹性模量的快速预测。
研究成果：1.完成兰州大学学士学位论文《基于离散元和机器学习的土体结构模式识别》，获评兰州大学优秀本科生毕业论文。
2.整理学位论文成果，发表见刊一篇论文在中科院一区TOP期刊《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》。
[1]Zhang T, Li S, Yang H, et al., Prediction of constrained modulus for granular soil using 3D discrete element method and convolutional neural networks, Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2024.02.005
5 权雪瑞
5 权雪瑞
上海宝信软件股份有限公司 资源与环境
研究内容：为了研究岩质边坡场地在爆破作用下的动力响应和衰减规律，使用MatDEM建立了包括板岩（硬岩）、凝灰岩（相对软岩）和页岩（软岩）的数值模型。通过分析模型的波场、速度和加速度响应及傅立叶谱、应力和能量，研究了它们的动态响应特性。结果表明，爆破波从近场到远场以圆弧状传播，软岩中的波衰减效果小于硬岩中的衰减效果。岩性对地表和基岩动力响应的影响是不同的，爆破波主要影响爆破源近场区域的动态响应。此外，边坡的动力放大效应为：硬质岩>相对软质岩>软质岩。坡面具有高程衰减效果。动态放大效应出现在相对高程（0.75，1.0）范围内的坡内。傅立叶谱具有明显的主频，坡顶和内部主频小于坡面主频。此外，岩石场地产生的总能量逐渐转变为动能、重力势能、弹性势能和热能。基于能量的分析表明，爆破波在硬岩中的衰减作用总体上大于软岩。这项工作可为揭示岩质场地的爆破振动效应提供参考。
研究成果：在《Lithosphere》上发表了一篇SCI论文。
[1]Song D, Quan X, chen Z, et al. Influence of Lithology on the Characteristics of Wave Propagation and Dynamic Response in Rocky Slope Sites Subject to Blasting Load Via the Discrete Element Method[J]. Lithosphere, 2024, 2024(1): lithosphere_2023_302.
6 石鑫垒
中南大学 城市地下空间工程 研三
研究内容：利用MatDEM探讨不同受限应力条件下镐型截齿在垂直侵入和线性切削岩石特性。通过监测截齿的受力变化、裂缝萌生与扩展、颗粒移动及岩石内部应力的变化，揭示了两种方式的破岩特性。在垂直侵入过程中，岩石主要发生张拉破坏；而在线性切削过程中，岩石的破坏形式以剪切破坏为主。随后通过不同受限应力条件下垂直侵入破岩及线性切削过程中的截齿力和破岩比能对岩石可截割性进行评价。岩石的可截割性随着受限应力的增大呈现先降低后上升的趋势，高应力条件下破岩效率提高，其原因为岩石内部赋存一定的弹性变形能，当截齿与岩石接触时，诱发岩石内积累的弹性变形能释放，主要表现为热能和声能的形式，进而有助于后续的岩石破碎过程。
研究成果：在《Computers and Geotechnics》上发表了一篇SCI论文，完成中南大学硕士学位论文。
[1]Wang Shaofeng, Shi Xinlei, Wu Yumeng. DEM-based2D numerical simulation of the rock cutting process using a conical pick underconfining stress[J]. Computers and Geotechnics, 2024, 165: 105885.
[2] 不同受限应力条件下镐型截齿破岩特性数值模拟研究（学位论文）
7 王骜洵
上海交通大学 土木工程 博五
研究内容：我国工业发展迅速，矿渣等固体废弃物无法及时得到大规模绿色处置，长期露天堆填为目前较为常规的工程手段。固废堆积体具有规模旁大、成分复杂等特点，城市化建设进程中难以回避固废堆积体的灾变问题。本研究对一处在矿渣堆积体上建设公路引起的固废堆积体滑坡开展研究，通过分析遥感信息和滑坡体特征，初步确定了滑坡成因及影响因素，以历史卫星影像和勘察数据为依据，建立了主滑面的工程地质模型，利用离散元程序MatDEM复现了滑坡既有发展过程，并进一步预测了最终堆积形态和影响范围。本研究采用的现场勘察与数值分析相结合的研究方法可为固废堆积体的风险评估和治理提供参考。
研究成果：以第一作者的身份在《Journal of Performance of Constructed Facilities》发表SCI论文1篇。
[1] Wang A, Xu Y, Liu H. Study on InstabilityProcess of Slag Landfills: Example of the Subgrade Landslide on Fuxin NanhuanRoad in Liaoning, China[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities,2023, 37(6): 04023050.
8 王飞
中国地质大学（武汉） 地质工程 研三
研究内容：本研究采用MatDEM模拟了“加拿大液化试验（CANLEX）”，CANLEX 是由 Byrne 等在 Alberta 的 Syncrude 场地进行的一项快速排尾现场试验，这项试验用于研究松散的饱和尾矿在快速排尾荷载作用下的静态液化触发过程。研究人员先在废弃的尾矿内充填尾矿，形成平整的试验平台，再在该平台上修筑高约8m的粘土坝，四周用压实的砂土筑成一高约10m的围堵坝，坝体的修筑过程较缓慢，以便超静孔隙水压力充分排出。最后向围堵坝和粘土坝中间围成的区域排放尾矿。粘土坝下方埋置了孔隙水压力传感器，以监测尾矿排放过程中产生的超静孔隙水压力。
研究成果：以第一作者的身份在《Computers & Geosciences》发表SCI论文1篇，另外撰写了一篇SCI论文并处于审稿阶段，完成中国地质大学（武汉）硕士学位论文1篇。
[1]王飞. 排尾工况下的上游式尾矿库静态液化机理研究[D]. 武汉：中国地质大学, 2024.
[2]Wang F, Li W*, Hu X L, Cao Z W, Gao Y F. Numerical simulation of biaxial undrained shear test based on fluid-solid coupling DEM method [J].Computers and Geotechnics, 2023, 164, 105810.
[3]Wang F, Li W*, et al. Research on the static liquefaction failure of tailings dams under continuous discharge conditions[J]. Computers and Geotechnics. (Under review)
9 王志松
江西理工大学 安全工程 研三
研究内容：基于MatDEM的水分扩散模型进行了含水率、位移变化、配位数以及单元速度的数值模拟，得到了高陡、含裂隙边坡的位移场、水分场和裂隙演变规律，深入探讨了不同季节稀土边坡的入渗分布和失稳演化特征。基于MatDEM的地下开挖模型，模拟了露天转地下开采的顶板突变和边坡失稳过程。通过对比分析不同开采阶段顶板和边坡之间的关系，从位移、应力和裂隙等多个角度揭示了覆岩-陡坡系统的失稳机理，分析了整个失稳的演化过程。提取了回采矿柱后的位移变化时程分布图，计算了覆岩的裂隙密度、深度和宽度，建立了尖点突变临界值公式，验证了MatDEM数值模拟的合理性。
研究成果：在《Geomatics, Natural Hazards and Risk》发表SCI论文1篇，并在《中国矿业》发表一篇论文。
[1]Geng J, Wang Z, Lan X, et al. Numerical simulation and safety distance analysis of slope instability of ionic rare earth tailings in different rainy seasons[J]. Geomatics, Natural Hazards and Risk, 2023, 14(1): 2277127.
[2]蒋佩伶, 王志松, 蒋越, 等. 基于 MatDEM 对高陡边坡裂隙岩体失稳演化机制的研究[J]. 中国矿业, 2023, 32(2): 51-60.
10 肖亮
中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土工程 博士后
研究内容：围绕现阶段加筋拦石墙在落石冲击作用下变形演化认识不深的实际问题，结合足尺试验和数值模型等方法对加筋拦石墙的变形特性展开研究，分析各类设计参数对其变形模式和应力传递规律的影响。同时，针对拦石墙服役期内可能出现的多次落石冲击的现实情况，结合模拟试验分析结构变形性能的退化过程。最后，根据不同条件下拦石墙的变形特点，提出相应变形模式下的简化冲击变形计算方法，并基于MatDEM平台开发加筋拦石墙落石冲击计算APP，可用于辅助工程师们的结构设计和灾后性能评估。
研究成果：在《Geotextiles and Geomembranes》发表SCI论文1篇，并完成博士学位论文。
[1]XIAO L, LU L, LI L, et al. Effects of rockfall shape on deformation performance of ground reinforced embankments subjected to lateral impact[J/OL]. Geotextiles and Geomembranes, 2024, 52(5): 841-859.
[2]博士论文：落石冲击下加筋拦石墙的变形特性及简化计算方法研究
11 熊国华
中国地震局第二监测中心 测绘科学与技术
研究内容：高位远程滑坡灾害在中国西南山区广泛分布，具有巨大破坏力。识别和监测滑坡灾害，预测不稳定滑坡的运动过程，对于滑坡灾害防治具有重要意义。本研究采用时序InSAR技术，识别并监测了金沙江流域的潜在滑坡隐患。选择其中的色拉滑坡使用MatDEM软件进行降雨入渗模拟，预测其在降雨模式下的失稳过程，从动力学角度分析其运动特征。结果显示，在金沙江流域贡觉段存在4处典型滑坡，坡面变形速率超过-17 cm/yr。提取的周期项时序形变与降雨具有明显的相关性。数值模拟表明，降雨使滑坡运动速度迅速增加，前缘滑体先行发生滑动，后缘滑体随后失稳，这与牵引型滑坡的破坏模式一致。这些研究成果为高位远程滑坡的监测和风险评估提供了重要参考。
研究成果：在《Natural Hazards》发表了1篇SCI论文。
[1]Yang, C., Xiong, G., Xu, H. et al. Joint InSAR and discrete element numerical simulation method for landslide identification and monitoring: a case study of the Gongjue landslide, Jinsha River, China. Nat Hazards (2024). https://doi.org/10.1007/s11069-024-06633-x
12 易羽聪
中国地质大学（武汉） 土木水利 研一
研究内容：顺应国家发展策略，理清地质灾害与建筑物基础结构间交互关系，研究斜坡与基础结构间的动态平衡，选取适宜的斜坡构建建筑物并进行三维模拟仿真，在有限的国土空间开发与利用自然环境的同时，与其和谐共处。
研究成果：使用MatDEM参加2024北京市第二届暨清华大学第五届虚拟仿真创意设计大赛获三等奖。
13 张彦锋
中国地质科学院 地质工程 博四
研究内容：通过现场调查和 MatDEM 数值模拟软件，研究了广安村滑坡滑动带摩擦热的演化和动力学过程。在滑动区附近形成了一个成核高温区，并在滑动过程中向前运动方向扩展。高热量区域对应于滑动块的最厚部分的轨迹投影。在滑动过程的几秒钟内，滑动区摩擦产生的热量很难消散，80%的热量储存在滑动区附近的岩石和土壤中，导致这些材料的温度急剧上升。MatDEM 单元的连接状态图和热量图直观地显示了滑体和滑床中的裂缝发育过程。研究结果为研究高速远程滑坡的演化机制提供了重要参考。
研究成果：以第一作者的身份在《Natural Hazards》发表SCI论文1篇。
[1]Zhang Y, Zhang W, Wang L, et al. Mechanism of the high-speed and long-run-out landslide considering the evolution of the frictional heat in the sliding zone[J]. Natural Hazards, 2024, 120(4): 3299-3317.
14 朱永东
贵州大学 地质工程 博一
研究内容：为了研究车辆诱发的振动波对岩土质边坡动力响应特性的影响，以内蒙古元宝山露天煤矿内排土场为原型，借助 MatDEM 软件构建内排土场边坡动力响应模型，模拟了车辆激振边坡的过程，并从不同坡面、不同垂直距、不同水平距和同距不同角度等多方面分析了边坡在地震作用下的动力特性及动力响应规律。结果表明，震源激发的速度波呈圆弧传播，因波的多次反射和散射导致波场的无序; 振动波传播越远，波扩散面越大，波动能量越分散，土体振动的起始时间越晚，振幅和频率越小，表现为土体振动越简单，距震源 3 ～6 m范围内的动力响应较大; 途中遇到的土密实度越大，波损程度则越大; 振动波在狭窄界面具有聚波的放大效应，在开阔界面具有散波的缩小效果。
研究成果：以第一作者的身份在《煤炭工程》上发表了一篇论文。
[1]朱永东，刘光伟. 车辆荷载作用下露天煤矿内排土场动力响应特征[J].煤炭工程，2023.DOI:10.11799/ce202309026
