基于模型试验的冰岩碎屑流冲击过程及力学模型研究

作     者：刘宇桐 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李修磊;姜元俊

授予年度：2023年

学科分类：081803[工学-地质工程] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 

主      题：冰岩碎屑流 含冰量 运动指标 冲击力模型 

摘      要：冰岩碎屑流是发生在高寒、高陡、高海拔山区,因冰崩或岩崩在高速运动中裹挟了冰屑、岩屑等物质形成的特殊碎屑流。由于其超强的流动性和破坏力,对区域内重大工程和人民的生命财产安全成了巨大的威胁。现阶段针对冰岩碎屑流的研究大多关注于冰岩碎屑流的成因机制及其超强的流动性,缺少有关冰岩碎屑流的冲击机制研究,因此,本文基于室内滑槽试验,主要探究了冰岩碎屑流的物质组成(冰屑含量和粒径等影响因素)对其冲击刚性挡墙的流速与流深等运动指标及其冲击荷载的影响,并验证了冰岩碎屑流与典型冲击力模型的适用性。论文主要得到如下结论:(1)含冰量主要影响表观密度和摩擦属性。当冰岩碎屑流的体积一定时,冰岩碎屑流的表观密度随着含冰量的增加而线性降低,其休止角、与滑槽底部的摩擦角以及与挡墙的摩擦角随含冰量的增加而下降。含冰量相同的情况下,冰岩粒径不同的冰碎屑流(1.0～1.5cm),其摩擦角大致相同。(2)含冰量和粒径是影响流动性的主要因素。含冰量越高,摩擦越小,导致冰岩碎屑流的流速与流深等运动指标与含冰量呈正相关,当含冰量低于50%时,流速随含冰量增加的幅度相对较大;冰岩碎屑流的冰岩颗粒粒径越大,单位体积内的颗粒接触面越小,内摩擦越小,导致其流速与流深等运动指标相对较大。(3)冰岩粒径在一定范围内(1.0～1.5cm),冰岩碎屑流的颗粒分选主要受密度差异控制。冰岩粒径相同时,冰岩碎屑流在运动过程发生颗粒分选使得最终堆积体呈现出“上冰下岩的结构特征;而当冰颗粒的粒径减小时,其最终堆积体仍呈现出“上冰下岩的结构特征。表明冰岩碎屑流在运动过程中发生颗粒分选受冰岩颗粒密度的影响较大。(4)含冰量跟密度共同控制冲击力的变化。随着含冰量的增大,冰岩碎屑流的密度减小,最大法向冲击力随含冰量的增加呈现出先增加后减小的特点,且含冰量为40%时,最大法向冲击力值达到最大;切向冲击力最大值随着含冰量的增加呈现先增加后下降的趋势,且在含冰量为60%时达到最大值。含冰量相同的情况下,冰岩碎屑流的最大法向冲击力与切向冲击力与冰岩颗粒的粒径呈正向关。(5)含冰量越高,摩擦越小,单位质量上的动能越大,导致最大法向冲击力的作用高度随含冰量的增加逐渐上移;而含冰量相同,冰颗粒或者岩颗粒的粒径越大,摩擦越小,最大法向冲击力的作用高度相对越高。(6)基于试验数据比较了三个典型的碎屑流荷载模型的计算精度,结果发现Jiang荷载模型计算精度相对较高,当含冰量低于60%时,Ashwood荷载模型计算精度也相对较高;由上述模型计算得到的冲击力值与实测值误差不超过20%。