基于CT图像的离散元方法研究粘结颗粒材料中载荷传递与断裂的耦合机制

《Computers and Geotechnics》：Coupled mechanisms of load transfer and fracture in bonded granular materials using CT image-based discrete element method

本研究提出基于X射线CT图像的离散元方法（IDEM）框架，分析粘结颗粒材料（BGMs）中界面粘结与砂浆基体粘结的破坏机制，通过力链分解（压缩、拉伸、剪切）揭示网络拓扑演化与裂纹扩展的耦合规律，发现界面粘结失效主导强度损失，力链重组影响宏观力学响应。

　　

胡阳|Yiik Diew Wong|李彦山|李凌文

哈尔滨工业大学交通科学与工程学院，哈尔滨150090，黑龙江省，中国

摘要

粘结颗粒材料（BGMs）由颗粒骨料和颗粒间的胶凝剂组成。本研究提出了一种基于计算机断层扫描（CT）图像的离散元方法来分析BGMs的损伤过程。通过X射线CT扫描和图像处理技术构建原位离散元模型，将颗粒间的粘结分为界面粘结和砂浆浆体粘结两类。力链被分解为压缩链、拉伸链和剪切链，并利用复杂网络理论分析其演化过程。研究探讨了加载作用下BGMs中力链演化与粘结失效之间的耦合机制。主要发现包括：界面粘结与砂浆浆体粘结之间的抗断裂性能差异对BGMs强度的决定性影响；在峰值载荷下，粘结失效率能够可靠地反映材料强度，且界面粘结失效的发生率高于砂浆浆体粘结失效。力链演化在加载区域表现出快速集中现象，形成了稳定的骨架结构，尽管在峰值后仍会发生退化。剪切链和拉伸链网络随着裂纹扩展而演变，最终阶段的力传递路径也会发生重组。力链网络参数的关键点与宏观载荷响应和断裂演化相一致，从而为耦合载荷传递和断裂机制提供了洞察。

引言

粘结颗粒材料（BGMs），如水泥砂、混凝土和沥青混合物（Airey, 1993; Consoli et al., 2009; Yang et al., 2025），广泛应用于各种岩土工程系统中，包括喷射混凝土衬砌、路基、路面以及水泥砂-砾石坝芯（Chen et al., 2019; Drumm et al., 1997; Gupta and Kumar, 2023; Zaheri et al., 2020）。其承载性能源于被胶凝基质锁定的颗粒间的摩擦作用，因此颗粒重排和粘结劣化共同决定了整体响应（Shen et al., 2016）。现场证据和实验室数据显示，BGMs的拉伸强度远低于压缩强度。它们容易发生涉及三个过程的损伤模式：微裂纹产生、粘结失效和渐进性破碎。这些过程可能导致边坡失稳、基础渗漏、衬砌损坏和路面劣化（Berto and Lazzarin, 2014; Gong et al., 2019; Saadat and Taheri, 2019; Shah et al., 1995）。因此，深入理解这些损伤和失效机制对于开发可靠的本构模型至关重要，因为这为定义材料内部变量和演化规律提供了物理基础，并有助于优化土木工程中的加固、耐久性和维护策略。

力链是颗粒接触网络中的承载连续路径，它们在BGMs的微观接触行为与宏观裂纹演化之间起到了关键桥梁作用（Cates et al., 1998; Saadat and Taheri, 2019）。在初始加载阶段，形成短而坚固的力链并沿主要主应力方向传递大部分载荷。随着粘结的逐渐劣化，这些力链会重新排列，在裂纹集中区域快速延长，最终控制裂纹扩展和剪切带的形成（Liu et al., 2024; Shen et al., 2016; Wang and Leung, 2008a; Zhang et al., 2025）。尽管存在这种公认的顺序——粘结劣化→力链重构→断裂演化——但对耦合机制的全面定量描述仍然缺乏。具体来说，（i）三种力链模式（压缩、拉伸和剪切）与（ii）两种粘结失效模式（骨料-水泥界面失效和水泥-基质失效）之间的相互作用在加载历史过程中尚未得到系统研究。大多数研究仍集中在压缩正常链上，对拉伸链和剪切链在裂纹产生过程中的时间和空间作用了解甚少（Patino-Ramirez et al., 2023; Zhang et al., 2025）。同样，界面粘结和基质粘结断裂与力链网络在裂纹产生、生长和不稳定阶段的载荷重新分配之间的因果关系也不清楚（Shen et al., 2022）。因此，迫切需要一个能够同时量化界面和基质粘结失效的分析框架，并跟踪压缩链、拉伸链和剪切链的演化过程。这样的框架将阐明控制宏观断裂模式和载荷传递演化的耦合机制，从而推进BGMs的预测建模。

离散元方法（DEM）已成为研究颗粒介质微观力学响应的强大工具，因为它可以明确追踪颗粒接触、滑动、滚动和断裂过程（Coetzee, 2017; Lu et al., 2015）。BGMs通常通过在相邻颗粒之间插入可断裂的粘结来近似表示，从而实现对水泥劣化的定量监测和解释（Jiang et al., 2014）。BGMs的DEM建模通常采用两种方案之一：第一种是基于接触粘结模型，简单地将黏聚力法则叠加在现有接触点上（Brown et al., 2014; Estrada and Taboada, 2013）。该方法速度快且内存效率高，但无法表示粘结厚度、孔隙连通性或空间异质性。另一种方案是显式水泥-颗粒模型，在骨料之间插入微小的水泥或砂浆浆体颗粒并将其与相邻颗粒粘结（Wang and Leung, 2008a; Wang and Leung, 2008b）。这种方法能够捕捉几何和刚度差异，并允许粘结剥落，但依赖于精确的水泥-颗粒尺寸和分布校准来反映真实的基质及其对力链路径的控制。在本研究中，我们采用了显式水泥-颗粒模型方法。然而，在实际样品中模拟砂浆浆体颗粒的大小和分布是一个重大挑战。

X射线计算机断层扫描（CT）和高性能计算的进步使得基于图像的DEM（IDEM）成为可能。该技术将三维CT体积转换为保留自然微观结构的颗粒组合，从而实现细小水泥颗粒或砂浆浆体颗粒的原位放置（Ge et al., 2019; Kutay et al., 2010; Thilakarathna et al., 2020）。有两种主要的工作流程：第一种是刚体转换方法，通过CT扫描获得骨料颗粒的三维点云数据，根据空间位置、方向和体积在离散元空间生成相应的刚体，然后对数字骨料进行打包和压缩至目标密度（Xiong et al., 2023; Xiong et al., 2025）。这种方法颗粒数量较少，运行速度较快，但由于压缩过程是人为的，难以准确再现孔隙和水泥分布。另一种是体素到颗粒的转换方法：根据灰度值将CT体素分为骨料、基质和空隙相，每个体素成为一个颗粒（Nitka and Tejchman, 2018; Wang et al., 2020）。这种方法微观结构保真度高，但模型包含数百万颗粒，需要非常小的时间步长。因此，关键在于将CT得到的质量分布与更简洁的颗粒表示相结合，以在IDEM中同时实现准确性和计算效率。

本研究旨在建立BGMs的损伤分析框架。它利用X射线CT高效构建原位离散元模型。力链被分解为压缩链、拉伸链和剪切链三类，并利用DEM提取这些链的拓扑结构和空间分布演化。此外，还识别了粘结失效模式并将其与链的时间演化过程相匹配。本研究旨在揭示力链演化与粘结失效之间的内在耦合机制，期望填补目前对损伤微观机制理解的空白，并为BGMs的损伤预测和结构优化提供新的理论支持。

章节片段

构建基于CT图像的离散元模型（IDEM）

本研究提出的IDEM方法适用于将CT数据转换为任何尺寸或类型的BGMs的离散元模型。为了验证其有效性，选择了典型的沥青粘结颗粒材料（ABGM）作为研究对象。试样按照中国国家标准（交通运输部，2025年）规定的混合条件制备，尺寸得到控制。

粘结失效的演化特征

为了跟踪加载路径上的粘结失效，我们定义了粘结失效比和粘结失效率。时间t时的粘结失效比为断裂的粘结数与初始粘结数的比例：

$f_{\text{比率}}=\frac{n_b}{N_b}$

其中N_b是初始状态下的总粘结数，n_b是时间t时断裂的粘结总数。

粘结失效率量化了给定恒定轴向时间增量dt内粘结失效比的增加：

$f_{\text{率}}=\frac{d}{}$

总结与结论

本研究提出了一种基于CT图像的离散元方法（DEM）的新的BGMs损伤分析框架：利用X射线CT扫描和图像处理技术构建BGMs的原位离散元模型；将颗粒粘结分为界面粘结和砂浆浆体粘结；将力链分解为压缩链、拉伸链和剪切链；利用复杂网络理论描述其演化特征。

CRediT作者贡献声明

胡阳：撰写——原始草稿、软件、资源、方法论、资金获取、正式分析、数据整理。Yiik Diew Wong：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、概念化。李彦山：监督、资金获取。李凌文：撰写——审阅与编辑、验证。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52278448）、国家重点研发计划（项目编号：2024YFE0214600）和中国留学基金委（项目编号：202406120269）的支持。