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散体岸坡失稳坍塌运动机理研究进展

  散体岸坡失稳坍塌对周边环境造成巨大的破坏,严重威胁人民生命财产安全。散体岸坡的组成材料如岩块、土沙等为典型的颗粒材料。由于颗粒材料独特的物质形态,颗粒材料的动力学行为有时类似固体,有时类似流体,在时间和空间尺度上相互转化,具有多面性和复杂性。颗粒柱坍塌运动模型(Granular Column Collapse Model)是研究颗粒材料坍塌运动与堆积特性的经典模型,最早由物理学家于2004年提出(如图1所示)。由于此模型与众多工程实际问题相关,如在地质灾害或工业制造领域中,模型边界挡墙瞬间移除导致的颗粒柱坍塌运动可概化模拟岩质边坡坍塌、或农业、化工、制药等工业中物料颗粒在筒仓或通道中输运等问题;当挡墙缓慢移动时则可模拟土体的准静态失稳过程。因此,研究团队采用颗粒柱坍塌运动概化模型探讨散体岸坡失稳坍塌运动机理。

  研究团队首先通过总结国内外有关颗粒柱坍塌运动模型研究成果,分析了颗粒柱初始空间形态特征、颗粒基本物理特性、模型边界及环境条件等因素对颗粒柱运动堆积特性的影响规律及作用机制。颗粒柱的运动距离和堆积高度与其初始宽高比之间存在显著的线性及幂函数关系,高、低颗粒柱坍塌运动模式和能耗机制差异显著。颗粒粒径、颗粒刚度、颗粒破碎与颗粒潮湿等因素对颗粒柱坍塌运动与堆积特性的影响规律已基本达成共识。不同挡墙约束条件、由气体掺入导致的流态化现象以及水体作用下颗粒柱运动堆积特征已有初步的研究成果。但是有关颗粒柱初始孔隙率、颗粒摩擦系数、挡墙摩擦系数对颗粒柱运动堆积特性影响的结论仍存在分歧。综观当前的研究成果,颗粒受力特性与运动机制内联关系,复杂颗粒形状、可侵蚀床面、颗粒密度和水动力条件等对颗粒柱坍塌运动与堆积特性的作用机理是未来研究重点。该研究成果以“颗粒柱坍塌运动与堆积特性研究进展”为题,于2020年5月被国内高水平学术期刊《上海交通大学学报》录用。

  随后采用离散单元法(Discrete Element Method, DEM)生成了颗粒柱数值模型,利用分形理论研究了颗粒粒径和颗粒摩擦系数对颗粒材料的侧向压力分布特性的影响规律,分析了DEM侧向压力分布与朗肯土压力理论解的差异性,部分成果如图2所示。研究结果表明:DEM侧向压力合力与理论解存在差异,颗粒粒径和颗粒摩擦系数越小,则两者差异越大,但合力作用点位置差异不大;由于颗粒材料堆积后内部呈现的拱结构效应,DEM侧向压力分布呈锯齿状且具有不连续性,部分侧向压力值较周围值骤增,工程设计时应考虑这些危险点的存在;侧向压力强度和作用位置分布具有分形特性;侧向压力强度分布分形维数受颗粒粒径和颗粒摩擦系数影响不大,分布范围在1.17~1.29;随着颗粒粒径和颗粒摩擦系数的增大,侧向压力作用位置分形维数减小,作用力分布位置趋向密集,表明刚性墙的某些部位将集中承载更多的侧向压力。该研究成果以“颗粒材料侧向压力分布特性离散元数值模拟分析”为题,被国内高水平学术期刊《中国农村水利水电》录用;申请发明专利1项。

  最后利用C# WinForm控制平台将流体非静压模型开源程序与离散元PFC程序进行耦合,将颗粒级配呈现分形特性的自然规律引入经典颗粒柱坍塌运动模型,探明了不同分形颗粒级配组成条件下散体岸坡坍塌运动与堆积过程,阐明了散体岸坡失稳-坍塌-堆积力学全过程及机制,部分成果如图3所示。研究结果表明:当分形维数增大时,岸坡颗粒粒径变细,岸坡运动距离增大;岸坡流动性参数、无量纲运动距离与分形维数之间存在线性函数关系;颗粒剪切摩擦行为减弱,碰撞行为加强;岸坡坍塌过程中小粒径颗粒对岸坡坍塌运动起主导作用,颗粒粒径越小,作用于颗粒的合力和合力矩效应越显著,颗粒获得的平动速度和旋转速度越大。相关研究成果以“Effect of Fractal Particle Size Distribution on Granular Flow Mobility: A Particle-scale Explanation for Long Runout of Granular Avalanches”为题,目前投稿于国际高水平学术期刊《Journal of Geophysical Research Earth Surface》,同时获得软件著作权1项,申请发明专利1项。

  图1颗粒柱坍塌运动模型示意图:(a) 长方体单向运动模型; (b) 圆柱体对称运动模型

  图2 散体岸坡失稳前侧向压力分布特性研究:(a) 岸坡堆积DEM数值模型; (b) 拱结构效应; (c) 颗粒材料锯齿型不连续侧向压力分布; (d) 侧向压力强度分布定量描述方法; (e) 侧向压力作用点分布定量描述方法

  图3 不同分形颗粒级配组成条件下散体岸坡坍塌运动机制研究:(a) 初始颗粒柱DEM数值模型; (b) 颗粒柱坍塌堆积形态图; (c) 颗粒平动和转动速度演化图; (d) 颗粒剪切摩擦力演化图; (e) 不同粒径颗粒平动能量随颗粒级配分形维数变化图