考虑基层裹挟的碎屑流铲刮效应数值模拟
发布时间：2021-03-01 00:39
基于碎屑流铲刮基层的作用机理,引入浓度悬浮模型用于描述混合区土体动力特性,采用考虑基层裹挟的Herschel-Bulkley-Papanastasiou（HBP）模型描述高速运移的碎屑流与基层材料裹挟掺混的动力过程,并采用光滑粒子流体动力学（SPH）方法求解.选择典型小比尺室内模型试验验证该方法的有效性,计算所得滑体最终堆积形态和碎屑流影响范围与试验结果一致.在此基础上开展基层材料物理力学参数的敏感性分析,结果表明,在一定范围内基层厚度增加将导致侵蚀深度增大并收敛于某极限值.基层材料的内摩擦角、黏聚力和动力黏度的增加均会减少碎屑流对基层的铲刮效应和基层隆起范围,但内摩擦角和动力黏度的增加对基层隆起范围影响较小.在合理土体物理参数范围内,仅黏聚力的增加即能显著抑制以上2种现象.
【文章来源】：浙江大学学报(工学版). 2020,54(11)北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
浓度悬浮模型的不同区域示意图
针对文献[3]中试验的3种工况，选用本研究建议的控制方程和SPH方法开展模拟.数值试验的初始模型如图2所示，试验所用煤渣体积为6 L，煤渣重心与可铲刮基层水平距离L1=80 cm，斜槽倾角为60?，过渡段圆弧圆心角为60?、半径R=41 cm，圆弧分别与坡面和水平面相切.基层采用无胶结PVC颗粒制成，不可铲刮基层采用已胶结固定的PVC颗粒层制成.Dufresne[3]未给出煤渣和基层材料的力学参数，本研究参考实际情况与前人研究，选择煤渣和基层材料物理力学参数，如表1所示.表中，μ为黏度.相较于采用离散元法[6]，本方法基于连续介质理论，可以通过单元体试验直接获取模型参数，并能够定量反映基层土体物理力学参数对碎屑流流态、铲刮深度、碎屑流滑动距离和基层隆起距离的影响.Dual SPHysics＿v4.4程序是致力于将GPU加速技术引入SPH算法的开源SPH程序，前、后处理部分较成熟，同时程序提供的本构方程可以用于模拟两相介质流问题[22].本研究采用Dual SPHysics＿v4.4建立数值模型进行碎屑流铲刮作用的模拟，并与文献[3]中的3组颗粒堆积试验进行对比.
选取工况B的计算结果进行详细分析，并结合前人研究成果，对铲刮机理展开探讨.如图3所示为工况B中碎屑流从接触基层至最终堆积的速度分布发展过程.在0.405 s时，煤渣受重力作用滑出圆形滑槽，接触基层前沿并与之发生摩擦，带动基层表面土体向前运移，从而使基层左端开始出现间隙.在0.410～0.425 s，煤渣持续冲击破坏基层，基层材料受煤渣影响范围增大，更深层的基层材料向前方运移，下方出现空隙，后续煤渣向下填充，产生垂直方向的速度分量，进一步加深对基层材料的侵蚀深度.这种现象与Scott等[11]提出的侵蚀作用十分相似.碎屑流在向下侵蚀的过程中，煤渣同时具有垂直和水平向的速度，向前挤压基层材料，导致基层材料隆起破坏，同时继续向下侵蚀，加深基层材料受影响范围，因此被称为犁耕作用[11].通过数值模拟结果可以看出侵蚀效应和犁耕效应是铲刮效应在不同时间、不同部位的体现，两者相互影响，互相耦合，与陆鹏源等[5,7]通过模型试验和数值模拟揭示的滑坡–碎屑流的冲击铲刮作用机理一致.可见，干性碎屑流铲刮引起的基层破坏主要是因为碎屑颗粒的高速运动对基层材料产生强烈剪切作用，在向下侵蚀基层材料的同时向前推挤基层材料使其发生塑性流动，进而增大碎屑流流动的影响范围.2.4 数值模拟与试验结果对比分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于HBP本构模型的泥石流动力过程SPH数值模拟[J]. 韩征,粟滨,李艳鸽,王伟,王卫东,黄健陵,陈光齐. 岩土力学. 2019(S1)
[2]现代土力学研究的新视野——宏微观土力学[J]. 蒋明镜. 岩土工程学报. 2019(02)
[3]滑坡-碎屑流冲切铲刮效应的颗粒离散元模拟[J]. 陆鹏源,杨兴国,邵帅,张仕林,周家文. 水利水电技术. 2018(07)
[4]鸡尾山高速远程滑坡运动特征及数值模拟分析[J]. 高杨,李滨,王国章. 工程地质学报. 2016(03)
[5]滑坡冲击铲刮效应物理模型试验及机制探讨[J]. 陆鹏源,侯天兴,杨兴国,郝明辉,周家文. 岩石力学与工程学报. 2016(06)
[6]基底刮铲效应对岩石碎屑流停积过程的影响[J]. 李祥龙,唐辉明,熊承仁,罗红明. 岩土力学. 2012(05)
本文编号：3056688
【文章来源】：浙江大学学报(工学版). 2020,54(11)北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
浓度悬浮模型的不同区域示意图
针对文献[3]中试验的3种工况，选用本研究建议的控制方程和SPH方法开展模拟.数值试验的初始模型如图2所示，试验所用煤渣体积为6 L，煤渣重心与可铲刮基层水平距离L1=80 cm，斜槽倾角为60?，过渡段圆弧圆心角为60?、半径R=41 cm，圆弧分别与坡面和水平面相切.基层采用无胶结PVC颗粒制成，不可铲刮基层采用已胶结固定的PVC颗粒层制成.Dufresne[3]未给出煤渣和基层材料的力学参数，本研究参考实际情况与前人研究，选择煤渣和基层材料物理力学参数，如表1所示.表中，μ为黏度.相较于采用离散元法[6]，本方法基于连续介质理论，可以通过单元体试验直接获取模型参数，并能够定量反映基层土体物理力学参数对碎屑流流态、铲刮深度、碎屑流滑动距离和基层隆起距离的影响.Dual SPHysics＿v4.4程序是致力于将GPU加速技术引入SPH算法的开源SPH程序，前、后处理部分较成熟，同时程序提供的本构方程可以用于模拟两相介质流问题[22].本研究采用Dual SPHysics＿v4.4建立数值模型进行碎屑流铲刮作用的模拟，并与文献[3]中的3组颗粒堆积试验进行对比.
选取工况B的计算结果进行详细分析，并结合前人研究成果，对铲刮机理展开探讨.如图3所示为工况B中碎屑流从接触基层至最终堆积的速度分布发展过程.在0.405 s时，煤渣受重力作用滑出圆形滑槽，接触基层前沿并与之发生摩擦，带动基层表面土体向前运移，从而使基层左端开始出现间隙.在0.410～0.425 s，煤渣持续冲击破坏基层，基层材料受煤渣影响范围增大，更深层的基层材料向前方运移，下方出现空隙，后续煤渣向下填充，产生垂直方向的速度分量，进一步加深对基层材料的侵蚀深度.这种现象与Scott等[11]提出的侵蚀作用十分相似.碎屑流在向下侵蚀的过程中，煤渣同时具有垂直和水平向的速度，向前挤压基层材料，导致基层材料隆起破坏，同时继续向下侵蚀，加深基层材料受影响范围，因此被称为犁耕作用[11].通过数值模拟结果可以看出侵蚀效应和犁耕效应是铲刮效应在不同时间、不同部位的体现，两者相互影响，互相耦合，与陆鹏源等[5,7]通过模型试验和数值模拟揭示的滑坡–碎屑流的冲击铲刮作用机理一致.可见，干性碎屑流铲刮引起的基层破坏主要是因为碎屑颗粒的高速运动对基层材料产生强烈剪切作用，在向下侵蚀基层材料的同时向前推挤基层材料使其发生塑性流动，进而增大碎屑流流动的影响范围.2.4 数值模拟与试验结果对比分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于HBP本构模型的泥石流动力过程SPH数值模拟[J]. 韩征,粟滨,李艳鸽,王伟,王卫东,黄健陵,陈光齐. 岩土力学. 2019(S1)
[2]现代土力学研究的新视野——宏微观土力学[J]. 蒋明镜. 岩土工程学报. 2019(02)
[3]滑坡-碎屑流冲切铲刮效应的颗粒离散元模拟[J]. 陆鹏源,杨兴国,邵帅,张仕林,周家文. 水利水电技术. 2018(07)
[4]鸡尾山高速远程滑坡运动特征及数值模拟分析[J]. 高杨,李滨,王国章. 工程地质学报. 2016(03)
[5]滑坡冲击铲刮效应物理模型试验及机制探讨[J]. 陆鹏源,侯天兴,杨兴国,郝明辉,周家文. 岩石力学与工程学报. 2016(06)
[6]基底刮铲效应对岩石碎屑流停积过程的影响[J]. 李祥龙,唐辉明,熊承仁,罗红明. 岩土力学. 2012(05)
本文编号：3056688
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