基于碎屑流鏟刮基層的作用機(jī)理,引入濃度懸浮模型用于描述混合區(qū)土體動力特性,采用考慮基層裹挾的Herschel-Bulkley-Papanastasiou（HBP）模型描述高速運(yùn)移的碎屑流與基層材料裹挾摻混的動力過程,并采用光滑粒子流體動力學(xué)（SPH）方法求解.選擇典型小比尺室內(nèi)模型試驗(yàn)驗(yàn)證該方法的有效性,計(jì)算所得滑體最終堆積形態(tài)和碎屑流影響范圍與試驗(yàn)結(jié)果一致.在此基礎(chǔ)上開展基層材料物理力學(xué)參數(shù)的敏感性分析,結(jié)果表明,在一定范圍內(nèi)基層厚度增加將導(dǎo)致侵蝕深度增大并收斂于某極限值.基層材料的內(nèi)摩擦角、黏聚力和動力黏度的增加均會減少碎屑流對基層的鏟刮效應(yīng)和基層隆起范圍,但內(nèi)摩擦角和動力黏度的增加對基層隆起范圍影響較小.在合理土體物理參數(shù)范圍內(nèi),僅黏聚力的增加即能顯著抑制以上2種現(xiàn)象. 

【文章來源】：浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版). 2020,54(11)北大核心

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

濃度懸浮模型的不同區(qū)域示意圖

針對文獻(xiàn)[3]中試驗(yàn)的3種工況，選用本研究建議的控制方程和SPH方法開展模擬.數(shù)值試驗(yàn)的初始模型如圖2所示，試驗(yàn)所用煤渣體積為6 L，煤渣重心與可鏟刮基層水平距離L1=80 cm，斜槽傾角為60?，過渡段圓弧圓心角為60?、半徑R=41 cm，圓弧分別與坡面和水平面相切.基層采用無膠結(jié)PVC顆粒制成，不可鏟刮基層采用已膠結(jié)固定的PVC顆粒層制成.Dufresne[3]未給出煤渣和基層材料的力學(xué)參數(shù)，本研究參考實(shí)際情況與前人研究，選擇煤渣和基層材料物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示.表中，μ為黏度.相較于采用離散元法[6]，本方法基于連續(xù)介質(zhì)理論，可以通過單元體試驗(yàn)直接獲取模型參數(shù)，并能夠定量反映基層土體物理力學(xué)參數(shù)對碎屑流流態(tài)、鏟刮深度、碎屑流滑動距離和基層隆起距離的影響.Dual SPHysics＿v4.4程序是致力于將GPU加速技術(shù)引入SPH算法的開源SPH程序，前、后處理部分較成熟，同時程序提供的本構(gòu)方程可以用于模擬兩相介質(zhì)流問題[22].本研究采用Dual SPHysics＿v4.4建立數(shù)值模型進(jìn)行碎屑流鏟刮作用的模擬，并與文獻(xiàn)[3]中的3組顆粒堆積試驗(yàn)進(jìn)行對比.

選取工況B的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，并結(jié)合前人研究成果，對鏟刮機(jī)理展開探討.如圖3所示為工況B中碎屑流從接觸基層至最終堆積的速度分布發(fā)展過程.在0.405 s時，煤渣受重力作用滑出圓形滑槽，接觸基層前沿并與之發(fā)生摩擦，帶動基層表面土體向前運(yùn)移，從而使基層左端開始出現(xiàn)間隙.在0.410～0.425 s，煤渣持續(xù)沖擊破壞基層，基層材料受煤渣影響范圍增大，更深層的基層材料向前方運(yùn)移，下方出現(xiàn)空隙，后續(xù)煤渣向下填充，產(chǎn)生垂直方向的速度分量，進(jìn)一步加深對基層材料的侵蝕深度.這種現(xiàn)象與Scott等[11]提出的侵蝕作用十分相似.碎屑流在向下侵蝕的過程中，煤渣同時具有垂直和水平向的速度，向前擠壓基層材料，導(dǎo)致基層材料隆起破壞，同時繼續(xù)向下侵蝕，加深基層材料受影響范圍，因此被稱為犁耕作用[11].通過數(shù)值模擬結(jié)果可以看出侵蝕效應(yīng)和犁耕效應(yīng)是鏟刮效應(yīng)在不同時間、不同部位的體現(xiàn)，兩者相互影響，互相耦合，與陸鵬源等[5,7]通過模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬揭示的滑坡–碎屑流的沖擊鏟刮作用機(jī)理一致.可見，干性碎屑流鏟刮引起的基層破壞主要是因?yàn)樗樾碱w粒的高速運(yùn)動對基層材料產(chǎn)生強(qiáng)烈剪切作用，在向下侵蝕基層材料的同時向前推擠基層材料使其發(fā)生塑性流動，進(jìn)而增大碎屑流流動的影響范圍.2.4 數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比分析

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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