泥石流堆积物的强度特性及PFC模拟研究

作     者：沙特 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王常明

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 0837[工学-安全科学与工程] 

主      题：泥石流堆积物 堆积物强度特性 大型直剪试验 颗粒流模拟 

摘      要：泥石流是一种常见的地质现象,松散物质及水源是形成泥石流的必要条件。大量研究表明,当降雨渗流或冰雪融化发生时,松散堆积物的含水量升高强度降低,进而使得物源原有的力系平衡失效,是泥石流形成的内在原因。堆积物的强度是由土体自身特性所决定的,对其进行研究,可为泥石流启动力学模型的建立提供基础。因此,论文通过室内大型直剪试验及颗粒流模拟程序对泥石流堆积物的强度特性进行了研究。论文以北京市房山区南窖沟、门头沟区达摩沟泥石流堆积物为研究对象,通过一系列物理试验、X衍射试验及室内大型直接剪切试验,对其粒度成分、矿物成分及强度变形特征进行了分析,采用颗粒流程序对室内大型直剪试验进行模拟,并结合室内试验结果对其微观力学特性进行了研究。研究认为:(1)南窖沟、达摩沟堆积物的粒度成分中砾粒含量较高,而细粒含量较低;其矿物成分基本相同,南窖沟堆积物以原生矿物为主,其含量远高于达摩沟堆积物的原生矿物含量。(2)南窖沟、达摩沟堆积物土样的剪应力-剪切位移关系曲线的形态大体相同,可分为三个阶段:在剪切变形开始阶段,剪应力-剪切位移曲线形态近似一条直线;随着剪切位移的增加,曲线趋于平缓,并逐渐达到峰值强度;在剪切过程后期,曲线逐渐呈现下降趋势,且当法向应力为100kPa时,曲线表现出明显的应变软化现象。(3)对比两种堆积物土样在四种含水率下的抗剪强度指标可以发现,当含水率为1%、3%、5%时,南窖沟堆积物土样与达摩沟堆积物土样相比,其内摩擦角略大;含水率为7%时,两种堆积物土样的内摩擦角基本相等;当含水率相同时,达摩沟堆积物土样内聚力远大于南窖沟堆积物土样的内聚力。两种堆积物土样的抗剪强度指标随着含水率的增加,均呈现减小的趋势。(4)模拟试验得到的剪应力-剪切位移曲线、剪切强度包线拟合曲线与室内试验结果对比可以发现,模拟曲线与试验曲线的吻合程度较好,说明颗粒流程序可以较准确地模拟直剪试验。当含水率相同时,模拟试验与室内试验相比,其内摩擦角略大,内聚力略小。(5)在模拟不同含水条件下直剪试验的剪切过程中出现了不同程度的剪胀现象并形成了明显的剪切带。模拟直剪试验的剪切带大致出现在试样高度为16cm3cm范围内,受垂直应力及含水率的影响较小,剪切带的宽度大约为6cmcm。模拟直剪试验过程中,剪切面上剪应力分布不均匀,模型内部接触力在剪切过程中发生了明显的变化,出现了应力集中现象,在左下方及右上方边界形成了多条接触力链,且应力方向发生了明显的倾斜。