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碎屑流内部剪切变形及其动力学响应机制研究

碎屑流内部剪切变形及其动力学响应机制研究

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作者：吴越西南交通大学

学位级别：硕士

高速远程滑坡在运动过程中由于碎屑化作用逐渐解体为形态大小各异的碎屑颗粒,并以碎屑流的形式远程运移和扩散。目前国内外对于碎屑流内部变形特征的研究尚处于起步阶段,对于内部变形的影响因素、演化特征及其动力学响应机制缺乏系统而... 详细信息

高速远程滑坡在运动过程中由于碎屑化作用逐渐解体为形态大小各异的碎屑颗粒,并以碎屑流的形式远程运移和扩散。目前国内外对于碎屑流内部变形特征的研究尚处于起步阶段,对于内部变形的影响因素、演化特征及其动力学响应机制缺乏系统而深入的研究。本文从碎屑流的角度出发,通过开展颗粒流斜槽实验及其数值模拟,以及颗粒流周期性边界数值模拟实验,对碎屑流内部剪切变形及其动力学响应机制进行研究。通过PIV分析获取的颗粒流速度分布特征,初步研究了颗粒流内部剪切变形及其对运动距离的响应机制;在此基础上,进行了斜槽数值模拟实验,进一步研究了颗粒流内部剪切变形演化特征及其影响因素;通过周期性边界数值模拟开展了厚层颗粒流内部剪切特征的研究,并在此基础上分析了颗粒流粒径分选的机理。本文主要得到以下结论:(1)通过分析斜槽实验与数值模拟中颗粒流的速度分布特征,表征了颗粒流内部剪切变形随深度增加呈逐渐增大的趋势,反映了剪切向颗粒流底部集中的现象;斜槽数值模拟实验中颗粒流整体呈现前缘剪切速率大,整体剪切速率从前缘向后缘方向呈先减小后增大的趋势;随着粒径的增大,颗粒流整体平均剪切速率呈现减小的趋势;随着倾角的增大,颗粒流整体平均剪切速率增大;随着底面摩擦增大,颗粒流整体平均剪切速率增大。(2)单粒径斜槽实验中不同粒径同体积条件下,随着粒径增大,等效摩擦系数(μ)减小;同粒径同体积条件下,底面摩擦系数越大,等效摩擦系数越大,较大的底面摩擦降低了颗粒流的流动性。等效摩擦系数随粒径的变化关系与整体平均剪切速率随粒径的变化关系呈现出一致的趋势,随着整体平均剪切速率的减小,等效摩擦系数减小,表明内部剪切变形在颗粒流运动过程的能量耗散中起到重要作用。另一方面,单粒径斜槽数值模拟实验Savage数计算结果均大于0.1,表明本文单粒径斜槽数值模拟实验均呈惯性态;同一实验中,Savage数呈现先减小后增大的趋势,与颗粒流前缘、后缘离散程度增加的现象吻合,表明颗粒流前缘、后缘碰撞程度更强;对于不同粒径颗粒流,Savage数随着粒径增大而增大,表明随着粒径增大,颗粒流中碰撞程度增强;对于不同底面摩擦颗粒流,Savage数随着底面摩擦增大而增大,表明底面摩擦增大使颗粒流碰撞程度增强。同时,随着粒径增大,颗粒流阻尼耗能占比增加,反映出随着粒径增加,颗粒流碰撞耗能增加,与Savage数随粒径增大而增大,碰撞随粒径增大而增强相吻合。(3)在多粒径组成颗粒流斜槽数值模拟实验中观测到颗粒流在运动过程中产生明显的颗粒分选现象,在其堆积体中出现明显的反粒序堆积特征,进一步开展的周期性边界数值模拟实验中同样出现细颗粒向下迁移,粗颗粒向上迁移的现象。在周期边界数值模拟实验中,颗粒流厚度增加,对颗粒流分选有抑制作用;颗粒流倾角增加,对颗粒流分选有促进作用;颗粒流底面摩擦增加,对颗粒流分选有促进作用。进一步分析得到颗粒流中细颗粒与粗颗粒分选机制是不同的,但两种机制相互作用。粗颗粒由于力链支撑与剪切作用使得其向相邻颗粒上方攀爬,使颗粒流孔隙扩大;细颗粒相较于粗颗粒更易出现无连续力链支撑现象,导致细颗粒在重力作用下沿孔隙下渗,下渗之后与周围颗粒重新建立力链,在力链网络中起到支撑作用。

关键词：碎屑流内部剪切动力学响应机制斜槽实验数值模拟颗粒分选

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不同地形条件下高速远程滑坡运动学与动力学过程研究

不同地形条件下高速远程滑坡运动学与动力学过程研究

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作者：张恩铭西南交通大学

学位级别：硕士

高速远程滑坡运动速度快、滑动距离长、体量极大。与一般滑坡灾害相比,高速远程滑坡的发生频率较低,但其致灾范围和破坏力往往更加巨大。滑坡运动过程中始终受到运动路径天然复杂性的影响,使得滑体运动距离及堆积形式难以预测;再加之滑... 详细信息

高速远程滑坡运动速度快、滑动距离长、体量极大。与一般滑坡灾害相比,高速远程滑坡的发生频率较低,但其致灾范围和破坏力往往更加巨大。滑坡运动过程中始终受到运动路径天然复杂性的影响,使得滑体运动距离及堆积形式难以预测;再加之滑体与复杂运动路径之间相互作用,内部岩块不断地发生破碎,这种碎屑化过程使得高速远程滑坡具有超强的流动性,这无疑显著增强了高速远程滑坡的危险性和不确定性。然而目前对于滑坡运动路径的研究尚处于起步阶段,当前的研究成果较为零散,考虑地形因素影响的滑体破碎过程更是少之又少。本文结合室内物理力学实验、室内斜槽实验和离散元数值模拟,深入讨论了不同形式的地形条件对高速远程滑坡运动学和动力学过程的影响机制,为防灾减灾工作提供科学依据。本文主要取得以下结论:(1)滑体在复杂地形中运动时产生的破碎主要由三部分组成:滑块飞出坡脚与地面碰撞时产生的破碎、滑块与地形或山体碰撞时产生的破碎以及块体之间相互碰撞产生的破碎。滑体运动速度和破碎程度均呈现出明显的分层现象,越靠近上层前部的块体速度最大,越靠近底层后部的块体速度最小;堆积体呈现出反粒序现象,上部块体仅棱角处产生破碎,地形因素不会改变堆积体的层序保留现象,块体依旧以活塞流形式运动,各层位之间并未产生大面积混合。河谷宽度会显著影响滑体的堆积特征、运动距离和破碎程度,河谷宽度越大,标准化质心高度D、标准化最远爬高距离D和标准化爬高展布面积A的值就越小;河谷宽度与块体的相对破碎率呈负相关。(2)滑体的运动距离和速度变化特征受对岸山体坡度影响。对岸山体坡度过高会显著降低滑体的爬坡能力,导致标准化最远爬高距离D和标准化爬高展布面积A降低;另外,坡度增加会导致标准化最远运动距离D和标准化质心运动距离D降低,同时使得标准化质心高度D增加;滑体的运动速度受对岸山体坡度影响,其中前部块体的速度对坡度变化最为敏感,坡度越大,速度降幅越大,后部块体在撞击瞬间减速最为明显,降幅约为64%。滑体与对岸山体坡脚处的冲击破碎行为最显著,坡度越大,坡脚处所受冲击力越大;另外,滑体破碎程度主要受两方面因素影响,一是滑体直接冲击地形,地形起伏程度越大,滑体破碎程度越高;二是长距离运动过程中滑体内部各部分块体之间相互碰撞导致的破碎,因此利于滑体进行长距离运动的地形也会加剧滑体的破碎程度。二者之间对破碎程度起决定性影响的因素为冲击破碎。(3)不同位置的地形起伏对滑体动能和势能转化形式的影响有显著区别,斜槽段凸起的地形起伏会极大提升块体的破碎程度,降低滑体运动距离,水平槽段地形凸起距转折端越近,滑体运动距离越近;复杂的地形起伏会增加块体滑动过程中动量交换的频次,地形凸起越靠近转折端,滑体的动能损失越大,块体与距转折端较远处的地形相撞时,仅前端块体动能受损。凸起地形所受冲击力由冲击时刻的滑体速度和冲击时刻滑体体积共同控制,速度越快,冲击时刻滑体体积越大,冲击时的破碎程度就越大。凸起地形靠近转折端处时,块体与地形之间相互作用最强烈。斜槽段地形起伏对滑体破碎程度的影响主要有两种形式:一是滑体直接冲击地形破碎,二是滑体冲上不同位置的地形后凌空飞行调整回落地表的形态,使得破碎程度大相径庭,整体呈现出以更大角度回落地表时破碎程度更大,以相对更小的斜交角度回落时破碎程度更小,破碎程度越大,滑体质心运动距离越小。

关键词：动力破碎运动路径动力学响应机制斜槽实验数值模拟堆积特征

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