颗粒介质是由大量离散的固体颗粒构成的无序体系,广泛存在于生产生活和自然现象中。由于其本身具有的离散性、运动性和耗散特性,颗粒介质的流动过程常常伴随着类固态(稳定堆积)、类液态(似宾汉姆流体流动)和类气态(快速运动)三种状态并存或相互转化。近年来,地震、暴雨等在我国西南地区的高山峡谷地带频繁引发碎屑流灾害,达到全国地质灾害的约80%。为了预测滑坡的发生及流动过程,以物理实验为基础研究了颗粒介质流动体系的动力学量演化,构建了跨流态的统一颗粒流本构理论;以红石岩碎屑流灾害为工程背景,基于三维物质点法发展了真实地形下的大规模颗粒流动体系,探究大变形下的颗粒流态转变及运动规律。论文的主要内容包括:1.发展了三维物质点法,采用适合大变形计算的后更新应力格式(USF),根据八节点立方体背景网格单元与栅格型地形的一致性,构建了ArcGIS与MPM的耦合框架。提出了一种颗粒流跨流态本构模型,推导出结合Drucker-Prager模型和颗粒流μ(I)流变模型的粘弹塑性应力应变关系,并嵌入到连续介质力学的MPM中。2.为了验证MPM模型和跨流态本构的正确性,选取典型颗粒流过程--颗粒堆坍塌进行了物理实验。采用高速摄像机和Tekscan压力传感器进行了实验测量,在图像处理软件ImageJ中嵌入粒子跟踪测速(PTV)模块,分析了不同时刻下的流动形态、速度分布、压力分布、体积分数等。针对该实验结果分别进行了离散元模拟和MPM模拟,对比验证了模型对颗粒介质流动过程的适用性。3.真实碎屑流的三维流动过程MPM模拟,将基于地形的三维物质点法应用到红石岩碎屑流的工程背景中。根据稳恒坡面流的理论公式,推导出三维滑坡下μ(I)流变关系中的耗散系数β取值范围;主要针对滑坡失效后的碎屑流行为,再现了其流动堆积过程中的堆积厚度和速度分布等特征量的演化;并讨论了μ(I)耗散参数β值对能量耗散快慢、流动持续时间以及最终堆积形态的影响。4.采用三维物质法进行了车轮在软土地基中的滚动过程模拟。基于轮-地地面动力学基本原理,构建了车轮旋转模型;在MPM算法中发展了轮-地接触检索模型,并通过一维和二维的理论解验证;利用GiD平台建立了不同路况下的MPM车轮模型,针对不同工况如恒定角速度、初始角速度等,进行了车轮在地基上的旋转行驶MPM模拟,并采用有限元数值计算结果与之对比,吻合良好。