颗粒流冲击力研究现状及讨论∗

颗粒流包括滑坡、泥石流、碎屑流、雪崩等,通常对桥梁、公路、居民区具有较大危害。分析了颗粒流的运动过程及其侵蚀、堆积和爬高等特性;此外,对颗粒流冲击力计算模型及其野外观测结果进行阐述。结果表明:现有冲击力计算模型认为冲击力在结构全断面呈均匀分布,忽略了颗粒流的运动特性对冲击力的影响;大块石冲击力计算忽略了颗粒破碎和浆体垫层效应对冲击力的影响,造成巨大的计算误差;由于传统传感器的缺陷,现有野外观测结果也存在较大误差。对此本文提出野外观测需要通过引入或开发新式压力传感器以得到更准确的颗粒流冲击力大小及其分布形式,从而更精确的修正理论模型;理论计算模型研究工作需要考虑颗粒流浆体的垫层效应、流体与基底的相互作用及块石冲击破碎等对流体冲击力的影响,从而推导出更准确的冲击力计算模型,指导工程实际。     

不同拦挡结构对滑坡-碎屑流冲击和堆积特征的影响

滑坡碎屑流是高位滑坡的一种常见运动形式,具有大规模、远程、高速的特点,在滑坡碎屑流运动路径上设置拦挡结构,可减小其致灾范围和致灾强度。文章运用三维离散元模拟软件,研究3种不同拦挡结构对滑坡碎屑运动和堆积特性的影响。研究结果表明:由于拦挡结构的作用,碎屑流颗粒的运动方向发生偏转,同时滑体的速度分布产生显著的变化-滑体最大速度从坡脚处变化到滑槽上颗粒的后缘。随着拦挡结构宽度的增加,法向力显著增大,切向力增加不显著;堆积区面积和最大水平运动距离不断减小,安全区的面积逐渐增加。本文引入无量纲数(Nk)分析颗粒分选效应对不同颗粒的运动和堆积特性的影响,相同拦挡宽度时,K3的Nk值最小,K1的Nk值最大; 3种颗粒的Nk值随着拦挡结构宽度的增加逐渐增大。有拦挡结构时,碎屑流颗粒堆积体积百分比呈现指数函数分布,即随着运动距离的增大逐渐减小;无拦挡结构时,颗粒堆积体积的百分比呈现Extreme函数分布,即体积分布在中间位置附近取得峰值,向两侧呈递减趋势。     

土体蠕变与桩锚耦合作用的土拱效应分析

桩锚支护是边坡加固的主要措施之一,从桩间土拱形成机理和土拱轴线形态出发,建立了土拱横截面抗剪切效应下土拱等效简支梁的挠度计算式,诠释了桩间土拱凸向桩后土体的特点。同时考虑了土体粘结力、内摩擦角和锚索拉力水平向分量及其时变特性对桩间土体应力状态的影响,并结合桩间土拱横截面Coulomb剪切准则和土拱横截面静力平衡条件,分别推导了正常土体、抗剪土体、土体蠕变属性和土体蠕变桩锚耦合作用等4种情况的拱轴线方程。比较分析了上述4种情况两相邻桩的最大跨度。结果表明第2种情况两相邻桩的最大跨度值为最大,其次是第4种情况和第3种情况,而第1种情况的跨度值为最小。研究结果验证了理论推导式的有效性,建议抗滑桩加固边坡设计中应以第4种情况进行桩中心距取值。所述结论可为了解桩间土拱蠕变弱化机理、拱轴线时变特征和桩锚工程设计参数取值提供有益参考。     

基于SPH法的岩崩碎屑流与挡板相互作用模拟

调查了颗粒之间的相互作用及岩崩碎屑流与一个障碍之间相互作用。采用光滑粒子流体动力学法(SPH)模拟了实验中观察到的颗粒流动规律,采用的本构模型是牛顿流体模型。研究表明,岩崩碎屑流的运动和堆积受到水槽倾角和挡板的影响,水槽挡板周围沿深度剖面的速度图是不均匀的,随深度变化的。数值结果与干颗粒材料的水槽流砂试验进行比较,获得了一些重要的模型参数,可用于优化高山地区防御结构尺寸的设计。     

碎屑流－堵河震动频谱特征识别的试验研究

主动监测碎屑流运动过程中产生的地震动信号可用于灾害运动演进过程评估、监测预警。通过开展室内模型试验,模拟了不同坡度下,山前平地型碎屑流和堵河型碎屑流运动过程,并采用经验模式分解（EMD）和短时傅里叶变换（STFT）相结合的时频分析法分析了其震动特征。结果表明:①根据震动信号将碎屑流运动过程分为分离启动阶段、加速阶段、冲击接触阶段、堆积阶段,并分析了各阶段的时域、时频域和瞬时能量特征;②碎屑流相对运动产生的地震信号的能量强度、频率和振幅与碎屑流相对于滑槽的运动状态相关性强;③斜坡坡度增大时,对波形曲线特征、能量分布特征影响显著,同时加速阶段和冲击接触阶段的最大振幅逐渐增加,呈现较好的线性关系;④山前平地型碎屑流和堵河型碎屑流在堆积阶段的地震波波形、时频图和瞬时能量变化都具有明显差别,并且前者在堆积阶段的最大振幅在相同斜坡坡度下都大于后者,以上指标可作为碎屑流-堵河的超前识别依据。     

不同截面抗滑桩的土拱效应对比研究∗

土拱效应是桩土作用理论研究的重要依据,但由于对不同截面形式抗滑桩的土拱效应作用机理研究较少,在抗滑桩设计中大多采用传统截面形式,考虑到传统矩形抗滑桩在形成土拱效应方面的不足,提出梯形截面优化抗滑桩截面形式。基于材料力学理论,利用轴向受压杆件的斜截面应力计算模型推导出梯形桩桩侧土拱拱脚受压区应力状态,并结合摩尔—库伦强度准则得出梯形桩桩侧极限承载力,通过算例对比分析梯形与矩形桩桩侧土拱极限承载力,结合数值模拟分析验证理论与计算结果。研究结果表明：梯形截面桩桩侧极限承载力相较于矩形截面有较为明显的提升,最大约为矩形桩的 2.5 倍;相同条件下梯形截面桩桩间土位移与剪应变增量更小,应力集中现象更明显,梯形截面桩对土拱效应的形成与发展更有利。     

基于弹塑性理论的溃坝尾矿砂下泄冲击力研究∗

为确定溃坝尾矿砂下泄冲击力,以弹塑性力学为基础,从微粒弹性碰撞入手,建立单尾矿砂微粒的冲击模型,并扩展至团聚尾矿砂的冲击力求解模型,推导出均匀级配、固液耦合的冲击力计算公式。结果表明:单尾矿砂微粒可通过弹性力学理论描述碰撞过程、求解碰撞力和碰撞时间;尾矿砂团聚微粒的碰撞模型的构建应考虑液相的粘聚力、颗粒间的接触和局部力系向空间转化三个方面;冲击速度、平均粒径和含沙量对冲击力的影响均呈幂函数型增加,干密度呈线性增加,相同边界条件下,冲击速度的改变对冲击力的影响最大,平均粒径和含沙量次之,干密度影响最小,该结果代表了尾矿砂所特有的细颗粒、级配均匀所展现的特征,为尾矿砂下泄冲击计算提供理论依据。     

基于PFC~(3D)黏性碎屑坡面运移动力过程阶段划分与分析

黏性碎屑流是常见崩滑灾害运移形式,其动力特性是此类灾害致灾过程中研究的关键环节。为探讨黏性碎屑流坡面运移全过程的动力学特性,在实验测定泥浆力学参数基础上,利用PFC3D离散单元法(discrete element method,DEM),模拟黏性碎屑流坡面运动全过程。通过监测颗粒间平均接触力、平均不平衡力及特定颗粒坡面运动过程空间位置、平动速率、转动速率等运动力学参数变化过程,将运移过程划分为启动、运移和堆积三阶段,结合颗粒间平均接触力及不平衡力变化过程,对各阶段动力学特性进行定性分析。结果表明,各阶段内部平均接触力变化表现为,减小—增加—稳定;运动速率变化表现为,高频小幅波动及缓增速—低频大幅波动及快增速—高频小幅波动及减速稳定。     

利用冲击力信号判断泥石流颗粒垂向分选的试验研究

分别提出根据冲击力数据的波动强度和峰值情况进行泥石流颗粒垂向分选研究的系统方法,并配置了三组不同容重(2 095 kg/m3、2 008 kg/m3和1 960 kg/m3)的粘性泥石流样品开展泥石流冲击试验。两种方法的分析结果基本一致,即容重为2 095 kg/m3的泥石流分选不明显,其他两组泥石流呈现出正粒序分布且容重越小分选越显著。量纲分析表明,开展的试验粘滞力在运动中起主导作用,颗粒之间作用力较小,不容易发生反粒序分选,这与通过冲击力分析颗粒垂向分选的结果一致,因此提出的利用冲击力信号判断泥石流颗粒垂向分选的系统方法具有适用性。     

模型试验研究碎石土斜坡优先流机理

通过自制的试验装置,模拟天然降雨过程,研究碎石土斜坡优先流的形成机理以及优先流对碎石土斜坡地下径流的影响,为揭示降雨诱发碎石土斜坡变形破坏机理提供理论依据和数据支撑。研究了颗粒组成结构、降雨历程、地下水、干缩、冻融交替等因素对碎石土斜坡优先流的影响,以及优先流对碎石土颗粒组成结构、碎石土斜坡地下径流的影响,揭示碎石土斜坡优先流的形成机理。通过染色示踪试验,揭示了碎石土斜坡优先流的形态和分布特征,为碎石土斜坡优先流的进一步量化研究提供依据。     

上埋式管道穿越高填方填挖结合部位的受力状态研究

以延安新区黄土高填方工程中的上埋式排水管道为原型,开展了相似比为1:2的室内试验,试验前在模型箱底部一定位置预设沉降底板模拟实际填方的工后沉降过程,在试验土体和管道中布设压力盒、位移计和应变片,以采集试验过程中的管土接触压力、管-土相对位移和管道应变等数据。研究表明,负土拱效应对管道的上部压力影响明显,竖向压力系数最大达3.4,与沉降量的关系符合三次多项式曲线,负土拱效应对管道的影响不可忽略。开挖纵向剖面后发现管道下部土层间出现明显的脱空裂缝,是管道下部管-土接触压力减小的原因。该成果为黄土高填方场地中管周土压力的计算、管道变形控制提供参考。     

金沙江杀威台子滑坡成因动力学特性研究

规模巨大的金沙江杀威台子滑坡形成于约4万年前,现存体积约2.69×108 m~3,其堆积体物质结构表现出典型强动力触发的溃散型滑坡特性。进一步的离散元数值反演分析成果表明:山体内广泛发育的结构面是控制斜坡稳定的关键;a_(max)=0.4g为斜坡岩体保持整体稳定的极限动力荷载,形成高速远程运移碎屑流溃散型破坏的临界动力荷载为a_(max)=1.3g;滑坡的成因机理是底部剪切滑移锁固段岩体在强震作用下无法抵抗上部岩体的推挤而触发溃屈破坏;滑体前端受底部摩擦逐渐减速,中后部物质在强大的地震惯性力驱动下,仍以较大速度猛烈撞击前部低速滑体并抛射形成溃散型碎屑流,这是滑坡前部物质极具冲击力并远程运移越过河床甚至急剧爬坡冲覆于岸坡之上达200m的关键动力学原因。     

地震滑坡研究回顾与展望

对国内外地震滑坡特别是汶川8.0级地震产生的地震滑坡的历史文献进行了系统回顾,认为地震滑坡的研究可以概括为发育分布规律统计研究和动力学机理研究。其中对于地震滑坡发育分布规律的研究较深入,取得了丰富的规律性认识;而关于动力学机理的研究,大多是基于表观现象的假设或推断,缺乏物理或数值模拟实验的验证。建议进一步开展:①基于地震波传播理论的物理或数值模拟;②高速远程滑坡形成机制与运动特征研究;③强震触发滑坡灾害链效应研究。     

高速远程滑坡沿程速度演化与冲击力分布研究——以三溪村滑坡为例

滑坡的运动速度是研究其致灾机制的关键因素,滑坡对建筑物的冲击力是评判其致灾强度的重要指标。对于灾难性高位远程滑坡而言,速度和冲击力是导致建筑损坏和人员伤亡的关键因素,由于灾难性滑坡的突发性、隐蔽性,以及目前现场监测技术的局限性,对其运动速度和冲击力的实时监测存在较大的难度。本文以三溪村为例,利用三维离散元软件PFC,结合无侧限单轴压缩试验进行参数标定,模拟三溪村滑坡启动、下滑、堆积和冲击山区房屋的整个过程。研究结果表明：（1）受地形影响,前缘右侧、中部、左侧岩土体峰值速度存在差异,中部岩土体呈现最大的峰值速度;（2）前缘右侧岩土体滑坡初始阶段呈现最大的加速度,前缘左侧岩土体减速阶段呈现最大的加速度;（3）滑坡冲击力时程关系呈现为单峰特征,冲击过程可划分为动态冲击阶段和准静态堆积阶段,且峰值冲击力与房屋距滑源区距离成反比。在三溪村滑坡的堆积阶段,山区房屋主要承受滑坡岩土体的静态堆积作用。建立的冲击力-时程演化关系、峰值冲击力-运程分布关系和峰值冲击力-速度的关系,可为山区建筑防灾减灾治理工程提供参考。     

轴向中空壁管抗冲击性能试验研究与数值分析∗

轴向中空壁管作为一种新型结构壁管,几何构型简单、空间利用率高、且能量耗散性好,近年来在市政工程中得到广泛应用。为研究轴向中空壁管在低速冲击作用下的力学响应和耗能特性,设计了 20 个试验工况,以落锤冲击试验模拟施工过程中受到的落石冲击和机械撞击作用,基于量纲分析法提出冲击力峰值的计算方法,通过有限元软件 ABAQUS 对试验结果进行验证,并根据有限元计算结果分析管道在低速冲击作用下的变形特性和损伤机理。研究表明：数值分析结果与试验结果吻合较好,冲击力时程曲线趋势基本一致,冲击力峰值误差在 5% 以内。 轴向中空壁管具有良好的抗冲击性能,其双壁中空结构具有较好的能量耗散性,落锤与管道接触瞬间会产生较大的冲击力,12.9 kg 的落锤从 2 m 处自由下落冲击管道可产生 15.28 kN 的冲击力。对比 20 个试验工况的冲击力峰值试验值与计算值,误差均较小,最大误差为 5.8%,即冲击力峰值计算方法准确性较高。随着落锤高度和质量的增加,冲击力峰值增大,损伤区域和凹痕深度也随之增大,最大塑性应变由外壁内侧转移到外壁与加劲肋的连接处, 呈现出外壁损伤和加劲肋损伤两种损伤模式。提出的冲击力峰值计算方法和管道塑性损伤规律可以为施工过程中轴向中空壁管在落石冲击和机械撞击作用下的安全评价提供理论依据。     

汶川地震大型高速远程滑坡力学机理及控制因子分析

根据汶川地震典型高速远程滑坡坡体结构特点及坡体对地震动的响应,认为地震波是造成山体变形破坏的原动力,强烈的地震动是触发岩体高位剪出并被抛射的主要原因。滑坡体被抛射后,撞击铲刮坡面形成高速碎屑流作远程运动,其运动距离决定其造成危害的大小,在不考虑地震长持时的情况下,其后续运动距离决定于不同的内部控制因子,统计分析表明:发震断裂只有触发效应以及"上/下盘效应",与灾害规模无关,多半滑坡发生于平均坡度为30°～45°坡体结构,滑坡体运动距离L与其拔河高度H具有很好的相关性,坡体拔河高度越大,滑坡体滑过的区域面积及堆积体积就越大,滑坡运动距离就越远,运动性就越强,造成的灾害也就越大。     

裸露地表近地层土壤风蚀运移过程的模拟研究

土壤风蚀是造成土壤肥力下降和沙尘天气的重要原因。通过建立大气边界层对流扩散运动方程、裸露地表起尘模式和土壤颗粒的扩散方程等,采用大涡模拟方法对表层土壤侵蚀的迁移特征进行了数值模拟研究。计算结果表明:小粒径运动土壤颗粒受流场的影响比大粒径沙尘明显;随着土壤颗粒组粒径的增大,土壤输移量也增大,且逐渐趋于底层输移,小粒径土壤颗粒的输移量很小,主要偏重于高处,中等粒度颗粒输移量随高度缓慢减小;在较高处,小粒径土壤颗粒数目所占的百分比却较大,随着高度的降低,中等粒径土壤颗粒数目所占的百分比逐渐增大,而贴近床面处,大粒径土壤颗粒数目百分比较大。     

贵州水城高速远程滑坡运动过程及动力参数分析∗

高速远程滑坡的运动速度、厚度和致灾能量在时程、运程上的分布是揭示灾难性滑坡致灾的重要指标。水城滑坡是近年来降雨诱发的典型隐蔽性、突发性高速远程滑坡,利用 Massflow 模型以上述多个指标参数为研究核心揭示其致灾特征。研究结果表明：滑坡运动的基底摩擦角和孔隙水压力系数分别为 20°和 0.4;滑坡历时约 60 s,最大前缘运动速度为 42 m/s,左右两侧前缘滑坡体堆积厚度分布分别呈现“双峰”和“单峰”特征,最大堆积厚度为 22 m;左右主滑方向上的最大动能分别为 1.75×10⁶ J 和 8.5×10⁵ J;房屋建筑区用时 8 s 完全被掩埋,建筑物监测点处最大冲击力估算值分别为 3 346 kPa 和 1 049 kPa,远大于山区农村房屋建筑所能承受的荷载极值。研究成果为灾难性高速远程滑坡碎屑流的动力学效应分析提供参考,对滑坡灾变风险的定量评估提供了依据。     

则木河断裂带古地震滑坡研究

研究发现在地震较为平静的则木河断裂带中段,分布有数个上亿立方米的超大型山体滑坡,这些滑坡均沿断裂带分布、规模巨大,具有高速远程碎屑流等地震滑坡特征,应是强烈古地震所触发。离散元数值模拟分析显示,在该特定的斜坡岩体力学条件下,高速远程碎屑流启动的临界加速度应该不低于1.6 g,与此相对应的地震烈度不低于Ⅺ度。进一步的研究证实,大型古地震滑坡的形成时代在一级阶地形成之前、二级阶地形成之后,距今约1~2万年左右。这表明全新世初期是则木河断裂带中段活动性极为强烈的时期。我们认为,大规模古地震滑坡集中分布且地震活动相对较平静的断裂带中段,目前极有可能正处于构造应力的积累过程,是否是未来强烈地震的潜在震源部位,应予以重视。     

黏性泥石流对山区油气管道的冲击动力响应研究∗

近年来,随着人类活动引起的地质灾害和极端天气现象频发,因泥石流引发的管道失效事故及次生灾害不断发生。为掌握黏性泥石流冲击山区油气管道的动力响应规律,建立了基于有限单元法与光滑粒子流体动力学(FEM‐SPH)的山区泥石流与管道的多物理场耦合模型。通过把黏性泥石流浆体简化为非牛顿流体——宾汉流体,研究X70钢管在泥石流作用下冲击响应过程,得到了管道不同位置的位移及应力时程特征,结果表明:①将泥石流浆体简化为宾汉流体,并离散为SPH颗粒不仅可真实展示泥石流的行进过程,也能清晰地反映泥石流对管道的动力响应规律。②通过建立多物理场耦合模型来模拟黏性泥石流冲击过程,发现泥浆附带的块石将会受到浆体阻力影响,运动加速度将受到限制。③泥石流对管道产生的破坏力主要来自泥石流“龙头”产生的瞬时冲击力和块石造成的局部撞击力;在泥浆作用下,所产生的应力主要分布于管道迎冲面中心截面处和管道背冲面与山体交界处,石块作用力主要集中在撞击部位,对管道背撞面影响较小;泥石流对管道产生的冲击位移整体呈现“马鞍状”的对称分布。研究所采用的非牛顿流体模型为泥石流对建(构)筑物的冲击模拟提供了新途径,相关研究结论可为泥石流段管道的灾害防控提供理论参考。