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崩滑灾害分布广泛,危害严重,常威胁人民的生命和财产安全。目前,对崩滑土体沿滑动面失稳过程与机理研究较多,对其失稳后运动过程多以块体理论或流体理论进行研究,少有学者根据崩滑土体物质组成,从细观角度分析研究崩滑土体运动过程,对于粘性填隙介质对崩滑土体运动影响更是未见相关探讨。粗颗粒和粘性填隙介质组成的粘性崩滑土体运动过程复杂,开展粘性崩滑土体运动力学机制问题、粘性填隙介质对崩滑运动过程形态、速度和冲击力的影响等问题的研究,对丰富崩滑灾害研究内容和崩滑灾害防治等具有重要的意义。因此,根据粘性崩滑土体物质组成,基于散粒体理论,从细观角度,以粗颗粒为对象,利用PFC3D离散单元法,开展粘性崩滑土体运动力学机制分析、粘性填隙介质旋转剪切和拉伸实验、粘性崩滑土体运动数值仿真和物理模型实验等相关工作,分析粘性填隙介质对崩滑土体运动过程的影响,初步取得以下研究成果:
1)基于散粒体理论,粘性崩滑土体运动力学机制为颗粒碰撞和颗粒粘连;引用颗粒接触碰撞赫兹模型和颗粒粘连模型共同描述粘性崩滑土体运动过程
粘性崩滑土体可概化成粗颗粒与粘性填隙介质组成的混合体;粗颗粒与粘性填隙介质相互作用力学机制为粗颗粒与填隙介质的切向和法向粘连作用;粘性崩滑土体运动过程由颗粒碰撞和颗粒粘连两过程组成,可通过颗粒接触碰撞赫兹模型和颗粒粘连模型共同描述;粘性填隙介质的剪切强度、剪切刚度和法向粘连强度、法向粘连刚度为影响粘性崩滑土体运动过程的关键力学参数。
2)明确粘性填隙介质剪切强度、剪切刚度、拉伸强度和拉伸刚度等关键力学参数确定的实验方法;构建粘性填隙介质剪切强度、剪切刚度、拉伸强度及拉伸刚度与介质密度关系式
将粘性崩滑土体运动过程中颗粒与填隙介质问的切向受力、法向受力过程概化成粗颗粒间全截面剪切过程和拉伸过程;粘性填隙介质剪切强度、剪切刚度、拉伸强度和拉伸刚度可通过旋转剪切和法向拉伸实验确定;根据粘性崩滑土体运动过程特点和粘性填隙介质剪切、拉伸实验结果,将粘性试样第二循环残余峰值剪切应力、峰值动力粘度作为相应密度成都粘土剪切强度和剪切刚度;将低拉伸速率(50μm/s)情况下最大法向拉应力作为相应密度成都粘土法向拉伸强度,通过应力应变关系确定其法向粘连刚度;实验结果表明:剪切强度、剪切刚度、法向粘连强度和法向粘连刚度随介质密度的增大而增大;法向粘连力随拉伸速度的增大而提高;粘连范围随密度的提高而增大;建立剪切应力、动力粘度与填隙介质含水率、剪切速率关系式。
3)基于商用PFC3D平台,编写粘性崩滑土体运动数值仿真程序,进行不同介质密度情况下粘性崩滑运动数值仿真分析;建立粘性崩滑土体粘性填隙介质密度与运动过程宏观表象(形态、速度和冲击力)间的联系,并通过同尺寸物理模型实验加以验证
编制PFC3D粘性崩滑土体运动数值仿真程序,生成粘性崩滑土体数值模型试样,根据剪切实验和拉伸实验结果,设置关键参数,开展粘性崩滑土体运动数值仿真实验,分析粘性填隙介质对崩滑运动形态、速度和冲击力的影响。结果表明:粗颗粒崩滑运动过程具有阶段性,即失稳-力口速-堆积三阶段;颗粒速度峰值随粘性填隙介质密度增大而减小;随粘性填隙介质密度增大,崩滑运动过程形态由无粘溜砂形式向碰撞-粘连运动形式到整体块状形式转变;粘性填隙介质密度影响粘性崩滑土体对障碍物冲击过程和冲击力的大小,当粘性填隙介质密度大于1.413g/cm3后,崩滑冲击力迅速提高。
开展与数值仿真同尺寸物理模型实验,通过同工况坡面运动形态对比,对粘性崩滑土体运动PFC3D数值仿真结果进行检验,证实了PFC3D离散单元法在描述粘性崩滑运动过程的可行性。