中颗粒在泥石流屈服应力中的作用研究

发布时间：2020-10-09 02:36

　　 泥石流对建筑物和工程设施的淤埋是泥石流灾害的主要危害方式之一,淤埋不但严重威胁了人类的生命财产安全,而且制约了社会经济的发展。泥石流淤积厚度是泥石流最重要的参数之一,也是对泥石流灾害评估和防治的重要参数,因此研究泥石流淤积厚度,不仅有利于我们更好地掌握泥石流运动特性,还有助于我们进行有效的泥石流灾害治理。淤积厚度的获取主要是通过野外调查和参数计算两种方式,在参数计算中,泥石流屈服应力与泥石流最大淤积厚度有着密切关系。目前,对泥石流屈服应力的影响因素研究多分为三类:一是只涉及泥石流固体体积浓度因素;二是同时考虑粘土和泥石流固体体积浓度因素;三是兼顾容重和粗颗粒级配、粒径、形状的影响。现行的影响因素研究各有利弊,但都存在一定的不足之处,即未考虑到中颗粒(粒径介于0.005mm~0.25mm之间的颗粒)的特性对泥石流屈服应力的影响。本文针对现有研究的不足,在粗颗粒对泥石流屈服应力作用机理研究的基础上,引入中颗粒粒径与中颗粒级配,通过室内水槽实验,探究中颗粒粒径、级配与泥石流屈服应力的作用关系,并定性分析中颗粒形状对泥石流屈服应力的影响,得到了修正完善后的数值模型,再结合野外实地调查数据和前人实验数据进行验证,本文得到结论如下:(1)作为泥石流体的重要组成部分,中颗粒对泥石流屈服应力具有较大影响,这种影响主要体现在中颗粒级配、粒径、形状等特性上,本文通过配制不同中颗粒特性的泥石流浆体,进行控制变量室内水槽实验,对中颗粒级配、粒径与屈服应力的作用关系展开定量研究。(2)控制中颗粒粒径(d_(50))与形状(球度Ψ)相同,通过实验数据分析可得,当中颗粒级配参数—曲率系数Cc越远离1时,级配越好,即中颗粒大小越不均匀,泥石流屈服应力也就越小;当中颗粒级配参数—曲率系数Cc越接近1时,级配越差,即中颗粒大小越均匀,颗粒组成单一,泥石流屈服应力也就越大。(3)同时也发现,当中颗粒组合越不均匀、级配越好时,中颗粒实验的屈服应力测量值与粗颗粒的屈服应力研究曲线差异越大;当中颗粒组合越均匀、级配越差时,中颗粒实验的屈服应力测量值与粗颗粒的屈服应力研究曲线越接近。(4)控制中颗粒级配(曲率系数Cc)与形状(球度Ψ)相同,通过实验数据分析可得,当泥石流固体体积浓度小于0.47时,中颗粒粒径对泥石流屈服应力几乎无影响;当泥石流固体体积浓度大于等于0.47时,中颗粒粒径与泥石流屈服应力呈负相关,即中颗粒粒径越小,屈服应力越大,中颗粒粒径越大,屈服应力越小。(5)对位于花岗岩、板岩、砂岩三种不同岩性地区的泥石流沟堆积物进行取样,且进一步将样品中的中颗粒细分为三种粒径范围(0.25mm~0.10mm、0.10mm~0.05mm、0.05mm~0.005mm),置于不同倍数显微镜下观测分析后得出:在同种岩性地区,中颗粒粒径大小的不同并不会引起形状上的差异,花岗岩和板岩地区的中颗粒主要呈多角形,砂岩地区的中颗粒主要呈类球形;而在三种不同岩性地区的泥石流样品中,中颗粒形状参数—球度值Ψ大致呈Ψ_(砂岩)Ψ_(板岩)Ψ_(花岗岩)的规律。(6)在粗颗粒研究基础上对中颗粒级配与中颗粒粒径进行修正后,得到了新的体积浓度修正系数á,其具体表达式为:á=1.14n(8.....,式中:n为材料常数;Cc为中颗粒的曲率系数;S为中颗粒的平均表面积,mm~2;Ψ为中颗粒的球度值;该体积浓度修正系数已将中颗粒级配与粒径对泥石流屈服应力的影响纳入考虑之中。(7)得到关于中颗粒的体积浓度修正系数á后,再结合关于粗颗粒与泥石流屈服应力的关系研究得到的体积浓度修正系数a,对原屈服应力计算模型中等效体积浓度的计算公式进行完善,具体表达式为:C=((3(6+(4á),式中:C为等效体积浓度;C_0为初始体积浓度;X是粗颗粒占泥石流中除细颗粒外固体部分的百分含量比;Y是中颗粒占泥石流中除细颗粒外固体部分的百分含量比;a是关于粗颗粒与屈服应力关系研究得到的体积浓度修正系数;á是关于中颗粒与屈服应力关系研究得到的体积浓度修正系数;本文通过前人Marr JG,Coussot的实验数据和火烧沟的实测数据以及实地考察获取的泥石流沟野外测量数据对模型进行了验证,验证结果也证实了新模型在考虑中颗粒特性的影响后比粗颗粒模型具有更好的科学性和可靠性。
【学位单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P642.23
【部分图文】：

分析其作用机理，并对中颗粒形状与屈服应力的作用关系进行定性研究，以进一步完善原有的屈服应力计算模型。技术路线严格遵循“研究现状分析—相关资料收集—室内试验—室内外数据验证”的思路，根据控制变量法改变泥石流固体体积浓度和中颗粒特性（级配、粒径），并调节升降杆来改变流通槽坡度，以测得相对应的泥石流最大淤积厚度，最后通过对相关实验数据分析和中颗粒形状参数的定性分析，寻求泥石流体在不同流通槽坡度下的最大淤积厚度与中颗粒特性的关系。技术路线如图 1-1.

以间接获得不同目数中颗粒的球度值。对于为了满足控制变量而调配出来的中颗粒混合组合，本实验选取平均球度值（加权平均）作为其形状参数，计算公式为Ψ = ∑Ψ ，其中Ψ 为单一目数中颗粒的球度， 为该单一目数中颗粒在中颗粒混合组合中所占的百分含量比。a.80 目中颗粒，40× b.200 目中颗粒，100×

与80目中颗粒形状相似的粗颗粒排水法测算图

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本文编号：2833103