高速远程滑坡超前冲击气浪动力学及防控机理研究

发布时间：2017-10-03 05:10

  本文关键词：高速远程滑坡超前冲击气浪动力学及防控机理研究

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【摘要】：本论文以2008年5月12日汶川大地震触发的牛圈沟、王家岩和谢家店子等三个高速远程滑坡为研究对象,通过精数值模拟方法,研究了高速远程滑坡所产生的超前冲击气浪的动力学机理。通过野外现场的详细调查,阐明和分析了高速远程滑坡运动全过程的几何学、运动学和动力学特征,并重点对高速远程滑坡运动过程中所产生的超前冲击气浪的动力学现象和特征进行了描述和分析。通过FLUENT流体力学软件中的用户自定义端口,导入了基于C语言编写的适合高速远程滑坡运动的摩擦准则；采用FLUENT流体力学软件中气-液两相流模型以及前处理软件,分别建立了基于真实地形地貌(DEM)特征的牛圈沟滑坡二维与三维数值模型,王家岩滑坡及其与前方刚性建筑物相互作用的三维数值模型,以及谢家店子滑坡及其与运动路径上桩林防护结构相互作用的三维数值模型；根据野外调查和室内土力学试验所得到的滑坡碎屑流物质的物理力学参数,反演了三个滑坡碎屑流运动全过程的情景,对三个高速远程滑坡及其所产生的超前气浪的几何学、运动学、动力学的特征和行为,进行了详细的分析和深入研究。主要得到以下结论：(1)牛圈沟高速远程滑坡的运动从启动到停止历时119s,每一时刻其运动最大速度的空间位置出现在滑体内部靠近前缘的地方(50s时处于碎屑流前缘),其最大速度有三个峰值,分别是14s时的52m/s、27s时的55m/s和50s时的49m/s；超前冲击气浪速度的最大值出现在50s时,其值为38m/s；压强的最大值出现在碎屑流前缘由支沟冲进牛圈沟主沟瞬间,达657Pa,相当于11级暴风；滑体与空气的接触面积越大,滑体速度越快,对其前方空气的挤压作用尤为明显；滑体运动前方地形的变化也会影响气浪压强的分布。在碎屑流的高速运动的过程中,当其前方一定范围内出现较为高大的障壁时,碎屑流前方来不及扩散的高压气流将产生极为明显的压强梯度变化,造成极大的破坏作用。当碎屑流前方遇陡坎或因弯道超高翻越山脊冲向下游时,其速度瞬间增大的同时,部分碎屑流因为处于失重状态会在其内部产生较为明显的负压,同时其前缘位置也会因为其前缘以陡立角度的强烈压缩作用导致其前方压强值出现局部陡增。(2)王家岩高速滑坡从启动到停止总共历时12s,运动过程中,其最大速度在10s时达到36 m/s；滑坡产生的超前冲击气浪速度的最大值也出现在10 s,其最大速度为28 m/s；超前气浪压强的峰值出现在其速度最大的时刻,即10s时,在其前方10 m处产生了高达600 Pa的正压,相当于11级暴风；王家岩滑坡体产生的超前冲击气浪在滑坡运动到8.5s时,已经让其运动路径前方110m处的砌体结构建筑物迎风面下部表面产生了最大391Pa的正压,相当于10级狂风。持续增大的超前冲击气浪荷载,让砌体结构下部产生的局部小裂缝逐渐贯通并向上延伸,导致了砌体结构建筑物在下部结构产生了明显的结构破坏,上部结构的竖向荷载在传递至底层时发生中断从而造成结构物在上部荷载作用下开始坍塌。考虑到王家岩滑坡前方受到气浪破坏的建筑物,在此前的强震过程中已经或多或少的产生了结构性的破坏,因此推测现实中很有可能在8.5s之前,其运动路径前方的建筑物就已经发生倒塌破坏。(3)谢家店子高速滑坡在天然(没有桩林防护)情况下从启动到停止总共历时80s；其最大速度出现在40s时的18.3 m/s；超前冲击气浪速度的最大值出现在40s左右,位于滑体前缘25 m范围之内,其最大速度为11.0 m/s；超前气浪压强的峰值出现在其速度最大的时刻,即40s时,在其前方0-l0m处产生了高达385 Pa的正压,相当于10级狂风,可拔起树木,损坏建筑物。分析对比谢家店子高速远程滑坡在有桩林与无桩林防护情况下的模拟结果,可以发现：①在有桩林防护情况下,碎屑流体在堆积区的范围显著减小,碎屑流主要堆积在流通区下部设置桩林的位置,只有部分碎屑流体在堆积区停积,与无桩林防护情况对比,碎屑流堆积区的面积减小了2/3；②在有桩林防护情况下,碎屑流体中最大速度的位置由前部向中前部移动,受到桩林淤积处碎屑流的阻挡,越过桩林的碎屑流体速度有明显的减小,碎屑流的动能也随之减小；③有桩林防护的碎屑流,其前缘超前冲击气浪的速度相比无桩林情况有明显的减小,并且超前冲击气浪的压强值也显著的减小；④桩林防护结构中,前排桩桩身受到的冲击压强大于后排桩身受到的冲击压强,且冲击压强主要集中在桩身的中下部。
【关键词】：高速远程滑坡 超前冲击气浪 动力学分析 数值模拟 建筑物 桩林防护结构
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P642.22
【目录】：

• 摘要7-9
• ABSTRACT9-15
• 第1章 绪论15-38
• 1.1 引言15
• 1.2 研究意义15-17
• 1.3 高速远程滑坡典型实例及机理研究现状17-23
• 1.3.1 国外关于高速远程滑坡典型实例及机理研究17-19
• 1.3.2 国内关于高速远程滑坡典型实例及机理研究19-22
• 1.3.3 关于汶川地震诱发高速远程滑坡实例研究22-23
• 1.4 国外关于高速远程滑坡运动本构模型及数值模拟研究现状23-28
• 1.5 国内关于高速远程滑坡运动数值模拟研究现状28-29
• 1.6 高速远程滑坡超前冲击气浪研究现状29-31
• 1.7 高速远程滑坡防护结构研究现状31-32
• 1.8 研究的出发点32-34
• 1.9 主要研究内容、方法和技术路线34-38
• 1.9.1 研究内容34-35
• 1.9.2 研究方法、技术路线35-38
• 第2章 高速远程滑坡数值模拟方法38-49
• 2.1 高速远程滑坡等效流体假设38-39
• 2.2 高速远程滑坡流体阻力关系39-41
• 2.3 计算流体力学(CFD)理论基础41-45
• 2.3.1 基本控制方程41-42
• 2.3.2 控制方程的离散基本思想42-43
• 2.3.3 控制方程求解的基本思想43
• 2.3.4 边界条件43-44
• 2.3.5 计算流体力学(CFD)求解流程44-45
• 2.4 FLUENT数值模拟理论基础45-49
• 2.4.1 湍流模型的概念45
• 2.4.2 湍流的基本方程45-46
• 2.4.3 标准k-ε湍流模型46-47
• 2.4.4 流体体积VOF法47
• 2.4.5 用户自定义函数UDF47-49
• 第3章 牛圈沟高速远程滑坡超前冲击气浪机理研究49-92
• 3.1 牛圈沟高速远程滑坡工程地质条件49-50
• 3.1.1 地形地貌49
• 3.1.2 地层岩性49-50
• 3.1.3 地质构造50
• 3.2 牛圈沟高速远程滑坡运动及气浪特征50-52
• 3.3 牛圈沟高速远程滑坡二维动力学模拟52-65
• 3.3.1 基本假设52
• 3.3.2 模型建立52-53
• 3.3.3 流变关系53-54
• 3.3.4 模型计算54
• 3.3.5 滑坡二维动力学模拟结果分析54-57
• 3.3.6 超前冲击气浪二维模拟结果分析57-65
• 3.4 牛圈沟高速远程滑坡三维动力学模拟65-89
• 3.4.1 模型建立65-66
• 3.4.2 模型流变关系及计算66-67
• 3.4.3 滑坡三维动力学模拟结果分析67-75
• 3.4.4 超前冲击气浪三维动力学模拟结果分析75-89
• 3.5 牛圈沟高速远程滑坡二维与三维动力学模拟结果对比分析89-92
• 第4章 王家岩高速远程滑坡超前冲击气浪对建筑物破坏机理研究92-141
• 4.1 王家岩高速远程滑坡工程地质条件92-93
• 4.1.1 地形地貌92-93
• 4.1.2 地层岩性93
• 4.1.3 地质构造93
• 4.2 王家岩高速远程滑坡运动及气浪特征93-97
• 4.2.1 滑坡运动特征93-96
• 4.2.2 气浪影响特征96-97
• 4.3 王家岩高速远程滑坡三维动力学模拟97-99
• 4.3.1 模型建立97-99
• 4.3.2 模型计算99
• 4.4 王家岩高速远程滑坡三维模拟结果分析99-106
• 4.4.1 滑体堆积体分布99-104
• 4.4.2 滑体运动速度104-106
• 4.5 王家岩高速远程滑坡超前冲击气浪三维模拟结果分析106-112
• 4.5.1 超前冲击气浪速度分析106-108
• 4.5.2 超前冲击气浪压强分析108-112
• 4.6 王家岩高速远程滑坡超前冲击气浪对建筑物的破坏分析112-140
• 4.6.1 LS-DYNA简介及计算理论基础112-114
• 4.6.2 LS-DYNA中建筑物模型建立114-116
• 4.6.3 建筑物材料模型及参数116-120
• 4.6.4 FLUENT模拟建筑物表面气浪压强特征分析120-129
• 4.6.5 气浪对建筑物破坏作用机理分析129-140
• 4.7 本章小结140-141
• 第5章 谢家店子高速远程滑坡超前冲击气浪防控机理研究141-189
• 5.1 谢家店子高速远程滑坡工程地质条件141-143
• 5.1.1 地形地貌141-142
• 5.1.2 地层岩性142
• 5.1.3 地质构造142-143
• 5.2 谢家店子高速远程滑坡运动及气浪特征143-145
• 5.2.1 滑坡运动特征143-145
• 5.2.2 气浪影响特征145
• 5.3 谢家店子高速远程滑坡及防护结构三维动力学模拟145-148
• 5.3.1 模型建立145-147
• 5.3.2 流变关系及计算147-148
• 5.4 谢家店子高速远程滑坡及防护结构三维模拟结果对比分析148-168
• 5.4.1 滑坡堆积体分布对比148-165
• 5.4.2 滑体运动速度对比165-168
• 5.5 谢家店子高速远程滑坡超前冲击气浪及防护结构三维模拟结果对比分析168-177
• 5.5.1 超前冲击气浪速度分析168-172
• 5.5.2 超前冲击气浪压强分析172-176
• 5.5.3 碎屑流前缘竖直方向上气浪压强对比176-177
• 5.6 谢家店子高速远程滑坡防护结构作用及机理分析177-187
• 5.7 本章小结187-189
• 结论与展望189-193
• 结论189-192
• 展望192-193
• 致谢193-195
• 参考文献195-216
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果216-217

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本文编号：963315