崩塌碎屑流冲击特性研究

论文摘要

山区崩塌碎屑流具有高位、远程、高速的特征,它极具破坏性,对山区的生命线工程及人民财产安全造成巨大威胁,因此对其冲击特性的研究将对山区工程结构物防损毁设计及选址起到指导意义。本文采用矩阵离散元程序MatDEM分析了崩塌碎屑流的运动过程、动态冲击作用、冲击结束后的堆积特性,以及碎屑和坡体参数对崩塌碎屑流特征冲击力(最大动态冲击力、残余堆积力)的影响规律。主要取得如下结论:(1)碎屑流在坡面上运动,运动范围呈扇形区域,其运动机理既有摩擦运动机理又有碰撞运动机理;碎屑流颗粒运动过程中的速度分布表现为前缘速度远远大于后缘速度,上层速度大于下层速度,中间速度大于边缘速度。碎屑流冲击结构物的过程是一个持续一定时间的连续冲击,分为动力冲击阶段和最后静止阶段,冲击力表现为先增大到一定峰值,再减小,最后达到稳定形成残余堆积力。(2)崩塌碎屑流在坡面上运动过程中,初始重力势能部分逐渐转化为动能,部分由于碎屑流颗粒与颗粒间、颗粒与滑床间摩擦碰撞产生热能而耗散,当碎屑流开始冲击到坡底结构物时,动能逐渐转化为冲击能,待冲击结束时在结构物前形成堆积体后,冲击能达到最大。(3)从崩塌碎屑流运动过程中的颗粒速度分布矢量图可以看出碎屑流具有冲切刮铲作用,碎屑流底部部分颗粒的速度矢量方向与滑床面相交,表明底部颗粒与滑床面发生激烈摩擦碰撞,前缘颗粒表现出铲作用,中后缘颗粒表现出刮作用。(4)碎屑流堆积体纵向上形态为一自由表面近似直线的梯形,随着滑床坡度的增加,碎屑流堆积体与结构物接触面的爬升高度越高。结构物所受的碎屑流堆积物的堆积力随结构物高度的增加而减小,并且随着滑动坡度的增加,总的堆积力越大;碎屑流堆积物的堆积形态在横向上表现为,中间堆积厚度最大,向两侧依次减小。当迎冲面为弧面时(圆柱体桥墩)结构物前堆积厚度小于迎冲面为平面(立方体房屋)时的情形,结构物所受的碎屑流堆积物的堆积力在横向上的分布符合二次抛物线分布型式,主要表现为迎冲面的中部堆积力最大,向两侧依次减小,且同等尺寸条件下,迎冲面为弧形面结构物前的总堆积力小于迎冲面为平面结构物前的总堆积力。(5)崩塌碎屑流作用在结构物上的特征冲击力(最大动态冲击力、残余堆积力)与碎屑流方量、碎屑流粒径、碎屑流内摩擦系数、缓冲区长度、坡面粗糙度、坡度等碎屑参数和坡体参数存在一定关系。碎屑参数的影响表现为:崩塌碎屑流最大动态冲击力随着碎屑流方量、碎屑流粒径的增大而增大,随着碎屑流颗粒内摩擦系数的增大而减小;崩塌碎屑流冲击结束后,结构物前堆积体产生的残余堆积力随着碎屑流方量、碎屑流粒径的增大而增大,随着碎屑流颗粒内摩擦系数的增大而减小;坡体参数的影响表现为:崩塌碎屑流最大动态冲击力随着坡度的增大而增大,随着缓冲区长度、坡面粗糙度的增大而减小;崩塌碎屑流冲击结束后,结构物前堆积体产生的残余堆积力随着坡度的增大而增大,随着缓冲区长度、坡面粗糙度的增大而减小。

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摘要

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第一章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 碎屑流研究现状

1.2.2 滑体冲击研究现状

1.2.3 碎屑流冲击研究现状

1.3 本文主要研究工作

1.4 本文创新点

第二章离散元法

2.1 离散元法的起源与发展

2.2 离散元法的运动学计算原理

2.3 MatDEM离散元法概述

2.4 MatDEM离散元法的单元力学性质

2.5 MatDEM紧密堆积模型宏微观参数转化关系

2.6 MatDEM能量转换与能量守恒

2.6.1 模型的机械能

2.6.2 模型的热能

2.6.3 能量守恒

2.7 本章小结

第三章崩塌碎屑流的动态冲击作用

3.1 离散元模型及参数

3.1.1 三维离散元模型

3.1.2 模型参数选择

3.2 碎屑流滑体的运动过程

3.2.1 运动过程中的空间构型

3.2.2 运动过程中的速度分布

3.3 崩塌碎屑流冲击作用的时间演化规律

3.4 崩塌碎屑流运动过程中的能量转化

3.4.1 运动过程中的能耗规律

3.4.2 工程实例分析

3.5 本章小结

第四章崩塌碎屑流冲击结束后堆积体的堆积特性

4.1 堆积体纵向堆积特性

4.1.1 二维离散元模型

4.1.2 崩塌碎屑流纵向冲击过程

4.1.3 崩塌碎屑流刮铲效应

4.1.4 崩塌碎屑流纵向堆积形态

4.1.5 崩塌碎屑流纵向堆积力分布

4.2 堆积体横向堆积特性

4.2.1 三维离散元模型

4.2.2 崩塌碎屑流横向冲击过程

4.2.3 崩塌碎屑流横向堆积形态

4.2.4 崩塌碎屑流横向堆积力分布

4.3 本章小结

第五章崩塌碎屑流冲击力的影响因素分析

5.1 冲击力特征指标

5.2 计算工况

5.3 离散元冲击模型建立

5.4 影响因素的选择与设定

5.4.1 碎屑流方量

5.4.2 碎屑流颗粒粒径

5.4.3 碎屑流颗粒内摩擦系数

5.4.4 缓冲区长度

5.4.5 坡面粗糙度

5.4.6 坡度

5.5 影响因素分析

5.5.1 碎屑流方量对冲击力的影响

5.5.2 碎屑流颗粒粒径对冲击力的影响

5.5.3 碎屑流颗粒内摩擦系数对冲击力的影响

5.5.4 缓冲区长度对冲击力的影响

5.5.5 坡面粗糙度对冲击力的影响

5.5.6 坡度对冲击力的影响

5.6 本章小结

第六章结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

A.作者在攻读硕士学位期间发表的论文与专利

B.作者在攻读硕士学位期间参与的项目

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 董伟

导师: 叶四桥

关键词: 崩塌,碎屑流,离散元,冲击力

来源: 重庆交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,地质学,工业通用技术及设备

单位: 重庆交通大学

分类号: P642.21

DOI: 10.27671/d.cnki.gcjtc.2019.000768

总页数: 82

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