粗糙斜面上颗粒崩塌行为的颗粒离散元模拟

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自然界中,雪崩、滑坡、泥石流等灾害的发生,整体上表现出一般连续流体的运动属性。而实际上,滑体内物质是离散的、不连续的,与连续流体有着本质的区别。这些灾害都发生在斜面上且都是密集颗粒流体,单个颗粒表现其固体性质,服从牛顿运动定律,颗粒堆积体的破坏及运动表现流体的性质。颗粒在流动过程中,颗粒间存在相互碰撞及摩擦作用,并伴随着能量的转换和耗散,对其研究与分析非常复杂。至目前为止,对颗粒物质崩塌机理的研究还没有简单通用的理论进行概述,许多问题尚待解决。本文基于PFC颗粒流程序建立粗糙斜面上的颗粒流动模型,求解粗糙斜面上颗粒堆积高度与倾斜角的关系,研究颗粒在斜面上的崩塌行为。颗粒间及颗粒与墙体间的接触模型运用抗滚动线性接触模型和线性接触模型。首先建立休止角模型,计算表征宏观材料的颗粒内摩擦角,确定颗粒间接触模型的细观参数组合。在考虑尺寸效应对模型构建的影响条件下,以计算休止角的细观参数组合建立颗粒间及颗粒与墙体的接触模型,进行斜面颗粒流动模型的建立。将模型模拟结果与前人实验室研究的结果进行对比分析,来验证模型的合理性。最后扰动斜面的静态颗粒层,以研究颗粒受扰动后的崩塌行为。通过数值模型的模拟,得出:(1)通过休止角的模型模拟及计算,两种接触模型分别得到两种材料的休止角:抗滚动线性接触模型休止角为23.5°;线性接触模型休止角为18.1°。(2)粗糙斜面上颗粒堆积高度随斜面倾斜角度的增加而减小,呈指数衰减关系。(3)通过抬升斜面至颗粒层开始发生崩塌,来确定斜面颗粒崩塌的阈值,并将颗粒堆积高度与倾斜角的关系图分为三个相区:不流区,稳定区及流动区。(4)将斜面抬升至一定倾斜角度的情况下,扰动该静态颗粒层,发现颗粒在扰动位置处向上扩展。颗粒层受扰动后,扰动位置后部的颗粒失去支撑,开始发生崩塌,沿斜面滚落。通过本次的数值模型模拟,获得了与前人实验室结果相近的模拟结果。将颗粒离散元模拟细观结构的结果与物理实验的试验结果进行对比分析,就可能建立宏观材料的物理力学特性与该材料细观参数间的关系,促进颗粒物质的研究,为揭示泥石流、滑坡、雪崩等自然灾害的运动机理研究做贡献。
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