基于复杂网络的粘性土颗粒堆积体失稳问题的分析

发布时间：2020-05-31 03:23

【摘要】：颗粒材料是复杂的无序堆积的颗粒填充系统。颗粒填充系统及相关问题常常出现在工程地质灾害、化学化工工程、环境工程、岩土工程和交通运输等各个领域。这些自然科学以及工程问题的解决与否,取决于人们对颗粒材料基本力学性质的认知程度。粘性颗粒堆积体是我们日常生活中最常见同时又十分重要的一类颗粒物质,颗粒材料往往会由于静电力、水分子、粘结胶体等各种因素,使颗粒之间发生黏聚现象。所以在自然界完全没有粘结力的干颗粒材料基本上是不存在的。如自然界中的砂石堆积体中常常会有水分子的存在,使其具有粘结效应;粘性土材料由于其本身就是一种粘结胶体,所以它堆积形成的边坡也会出现粘结的现象。在人们对寻求解决粘性颗粒填充系统的相关问题的解决方法的时候,研究人员对粘性颗粒物质进行了大量的理论和实验研究,因为其性质的复杂性,尽管已经有了不少研究成果以及工程上问题的解决,但是迄今为止并没有哪一种力学理论或分析方法可以完全的概括粘性颗粒材料的复杂性质并解决粘性颗粒填充系统相关的工程问题。目前,国内外学者利用块体离散元和颗粒离散元法对岩体及边坡稳定性问题进行了大量的研究,并取得了一定的研究成果。随着研究的进行,其研究内容和进程出现了瓶颈,关于土颗粒堆积体的研究往往只局限于颗粒堆积体坍塌和边坡失稳的宏观参数的研究中,而其内部结构是如何影响宏观动态响应的却鲜有研究对其进行分析和探讨。复杂网络理论作为21世纪新兴的数学分析工具,复杂网络工具在分析复杂结构宏观响应的内在原因具有强大的功效。在颗粒材料研究领域,现阶段复杂网络的分析方法仅用于分析密实颗粒填充体试样压缩过程,而从复杂网络视角对湿土颗粒堆积体坍塌或失稳过程中接触力网络的演化分析的研究还较少。本文采用颗粒离散元方法对粘性颗粒堆积体进行建模计算,并引入复杂网络理论对粘性颗粒堆积体的宏观动态响应进行分析和研究,尝试用网络参数的演化规律来描述堆积体坍塌或失稳过程,利用网络参数对坍塌或失稳进行预测。本研究的主要工作有:1、本文首先应用颗粒离散元软件EDEM构建了自然堆积状态下湿卵石颗粒堆积体以及岩质边坡的离散元模型,模拟其在自重作用和外荷载作用的坍塌和失稳过程。得到粘性颗粒堆积体的宏观响应,分析其宏观物理参数的变化规律。2、我们对自重作用下的湿卵石颗粒堆积体与外荷载作用下的岩质边坡土颗粒力链动态拓扑特性分别进行了计算和分析,将粘性颗粒的颗粒中心看作接触力链网络的节点、两两接触并存在正向接触力的两个颗粒的连线视为网络的边,以此来构建粘性颗粒堆积体接触力链网络的复杂网络模型。对于所构建的复杂网络,本文使用pajek接触力链网络中的三个重要参数进行了计算:度、聚类系数和平均最短路径。通过分析这些网络参数在粘性颗粒堆积体坍塌或失稳过程中的演化规律,来表征颗粒内部的接触力链网络拓扑结构。3、然而,仅仅是分析颗粒系统的介观结构和网络参数是远远不够的,将颗粒堆积体的宏观响应和颗粒系统的介观结构和网络参数联系在一起。用介观结构的网络参数来描述颗粒堆积系统在自重下和外荷载作用下的动态响应。用力链拓扑结构的拓扑参数量化和表征粘性颗粒堆积体破坏和坍塌过程。
【图文】：

雪崩,互联网,边坡失稳,居民住房

如雪山、边坡，如图1.1 和 1.2 所示。雪崩具有很强的突然性、运动速度快、破坏力大。边坡失稳会摧毁大片森林和植被，，掩埋居民住房和建筑物，破坏公路铁路等交通线路，摧毁公共通讯设施和车辆；甚至会导致河流的堵塞，引发区域性的临时涨水；同时，它还能引起山体滑坡以及泥石流等可怕的自然现象和灾害。边坡失稳以及与之相关的次生灾害给我国基础建设、经济发展和人民生命财产安全带来极大的威胁。边坡失稳破坏轻则造成人们正常的生产作业中断、建筑物和居民住房的破坏，重则造成人民的生命伤亡以及城镇生活区破坏和淹没。这些粘性颗粒堆积体常常在自重及外荷载作用下发生坍塌或失稳破坏。图 1.1 雪崩发生时雪堆积体的运动（来自互联网）

非均匀分布,互联网,土体,颗粒堆积

图 1.2 滑坡时土体运动（来自互联网）粒填充体属于非线性结构系统，具有非线性结构存在的基般处于非均匀分布状态。当堆积体受到外部扰动时，颗粒的自组织形式对重力作用、集中力、均布荷载、冲击作用随着科学和技术的发展，尤其是基于离散元理论的分析模许多学者进行了关于颗粒堆积体的研究，研究的成果肯定为研究对象时，所具有的工程应用价值和基础科学意义。，决定了其对外荷载的力学响应。所以将颗粒堆积体内在宏观响应联系起来，对推动颗粒物质的工程性能的研究，
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU43

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