宏观离散的颗粒材料是水利工程、岩土工程、道桥工程的主要载体,其基础科学研究具有深远的理论意义和重要的工程实用价值。在水利水电工程建设中,土石坝受暴雨洪水影响而触发的溃坝破坏,以及散粒体地质灾害,严重威胁着国民生命财产安全,因此需要从深层次审视颗粒材料的失稳破坏问题。不同于以剪切带为代表的局部化失稳,颗粒材料在达到Mohr-Coulomb塑性极限之前还可能发生全域均匀破坏的分散性失稳。这类在没有任何显著宏观模式的情况下发生和发展的失稳模式,被证明与边坡崩塌、泥石流、坝体溃决、静力触探和沉桩过程等密切相关,因此,研究颗粒材料分散性失稳的影响因素、先兆响应和孕育机制等显得尤为重要。颗粒材料的分散性失稳是一种具有复杂空间尺度特征的物理过程,特别是不同空间尺度下呈现的异构拓扑组织和复杂行为模式,因此,需要从细微观角度出发,探索分散性失稳的宏观响应与微观接触和细观组织的时空演化的联系,以揭示颗粒材料分散性失稳的结构起源和内在机制。本文基于离散单元法进行颗粒体系在等体积应变加载路径下的数值试验,旨在研究颗粒级配和颗粒形状对颗粒材料分散性失稳的影响特性、材料整体失稳的先兆响应和细观结构的破坏机制。主要内容分为以下几点:1.基于不同颗粒级配的颗粒体系的数值试验,探索颗粒级配对颗粒材料分散性失稳的影响。分析表明:随着级配的加宽,颗粒体系更可能且更急剧地出现分散性失稳,这是由于颗粒接触结构的连通密度降低,激励的接触力强度减小,但接触分布和强度分布的不均匀性增强。同时发现不同粒径尺寸的颗粒对接触结构和传力结构的贡献各异,因此对于级配过宽的颗粒体系,内部颗粒的配合分工不协调,不利于形成稳定承载的整体结构。2.基于椭球颗粒体系的数值试验,探索颗粒形状对颗粒材料分散性失稳的影响。分析表明:随着颗粒由圆球状偏向狭长椭球状,体系偏应力强度提高,发生整体失稳的风险降低,但这种影响呈收敛趋势。这是由于在轴向加压作用下,狭长椭球颗粒体系的接触堆积更紧密,平均接触力水平更高且分布更不均匀,出现更坚固的接触力链。同时发现,颗粒形状的改变对体系抗剪强度的提高,来源于接触力各向异性的增强,但由于接触法向各向异性的降低,这种影响呈现收敛趋势。3.基于不同初始密实度的颗粒体系的数值试验,采用复杂网络理论探索颗粒材料分散性失稳的先兆响应。分析表明:体系内部有效接触结构的完全崩塌是颗粒材料发生失稳时承载能力消失的根本原因。基于颗粒最大主压应力将颗粒系统划分为强、弱接触体系以构建强接触子网络、弱接触子网络和强-弱接触子网络,研究三个子网络和整体网络的特征量演化,发现在体系整体失稳前,弱接触体系易受扰动而先行激发,可视为颗粒材料分散性失稳的关键性先兆响应。4.基于二维颗粒体系的数值试验,选取连通团簇体、力链、力环等典型细观结构,探索颗粒材料分散性失稳的细微观破坏机制,并对不同细观结构的协同演化进行了分析。分析表明:在体系发生失稳之前,细观结构存在越来越强烈的动态调整,局部稳定行为和不稳定行为耦合在一起,总体上表现为:小尺寸力环数量的持续减少,推动了力链屈曲的频发,继而导致陡然间力链近乎全面坍塌,力环完全消失,最大团簇体瓦解,从而触发宏观分散性失稳。