本文關(guān)鍵詞：高速遠(yuǎn)程滑坡超前沖擊氣浪動(dòng)力學(xué)及防控機(jī)理研究

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【摘要】：本論文以2008年5月12日汶川大地震觸發(fā)的牛圈溝、王家?guī)r和謝家店子等三個(gè)高速遠(yuǎn)程滑坡為研究對(duì)象,通過精數(shù)值模擬方法,研究了高速遠(yuǎn)程滑坡所產(chǎn)生的超前沖擊氣浪的動(dòng)力學(xué)機(jī)理。通過野外現(xiàn)場的詳細(xì)調(diào)查,闡明和分析了高速遠(yuǎn)程滑坡運(yùn)動(dòng)全過程的幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征,并重點(diǎn)對(duì)高速遠(yuǎn)程滑坡運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的超前沖擊氣浪的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象和特征進(jìn)行了描述和分析。通過FLUENT流體力學(xué)軟件中的用戶自定義端口,導(dǎo)入了基于C語言編寫的適合高速遠(yuǎn)程滑坡運(yùn)動(dòng)的摩擦準(zhǔn)則；采用FLUENT流體力學(xué)軟件中氣-液兩相流模型以及前處理軟件,分別建立了基于真實(shí)地形地貌(DEM)特征的牛圈溝滑坡二維與三維數(shù)值模型,王家?guī)r滑坡及其與前方剛性建筑物相互作用的三維數(shù)值模型,以及謝家店子滑坡及其與運(yùn)動(dòng)路徑上樁林防護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用的三維數(shù)值模型；根據(jù)野外調(diào)查和室內(nèi)土力學(xué)試驗(yàn)所得到的滑坡碎屑流物質(zhì)的物理力學(xué)參數(shù),反演了三個(gè)滑坡碎屑流運(yùn)動(dòng)全過程的情景,對(duì)三個(gè)高速遠(yuǎn)程滑坡及其所產(chǎn)生的超前氣浪的幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的特征和行為,進(jìn)行了詳細(xì)的分析和深入研究。主要得到以下結(jié)論：(1)牛圈溝高速遠(yuǎn)程滑坡的運(yùn)動(dòng)從啟動(dòng)到停止歷時(shí)119s,每一時(shí)刻其運(yùn)動(dòng)最大速度的空間位置出現(xiàn)在滑體內(nèi)部靠近前緣的地方(50s時(shí)處于碎屑流前緣),其最大速度有三個(gè)峰值,分別是14s時(shí)的52m/s、27s時(shí)的55m/s和50s時(shí)的49m/s；超前沖擊氣浪速度的最大值出現(xiàn)在50s時(shí),其值為38m/s；壓強(qiáng)的最大值出現(xiàn)在碎屑流前緣由支溝沖進(jìn)牛圈溝主溝瞬間,達(dá)657Pa,相當(dāng)于11級(jí)暴風(fēng)；滑體與空氣的接觸面積越大,滑體速度越快,對(duì)其前方空氣的擠壓作用尤為明顯；滑體運(yùn)動(dòng)前方地形的變化也會(huì)影響氣浪壓強(qiáng)的分布。在碎屑流的高速運(yùn)動(dòng)的過程中,當(dāng)其前方一定范圍內(nèi)出現(xiàn)較為高大的障壁時(shí),碎屑流前方來不及擴(kuò)散的高壓氣流將產(chǎn)生極為明顯的壓強(qiáng)梯度變化,造成極大的破壞作用。當(dāng)碎屑流前方遇陡坎或因彎道超高翻越山脊沖向下游時(shí),其速度瞬間增大的同時(shí),部分碎屑流因?yàn)樘幱谑е貭顟B(tài)會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生較為明顯的負(fù)壓,同時(shí)其前緣位置也會(huì)因?yàn)槠淝熬壱远噶⒔嵌鹊膹?qiáng)烈壓縮作用導(dǎo)致其前方壓強(qiáng)值出現(xiàn)局部陡增。(2)王家?guī)r高速滑坡從啟動(dòng)到停止總共歷時(shí)12s,運(yùn)動(dòng)過程中,其最大速度在10s時(shí)達(dá)到36 m/s；滑坡產(chǎn)生的超前沖擊氣浪速度的最大值也出現(xiàn)在10 s,其最大速度為28 m/s；超前氣浪壓強(qiáng)的峰值出現(xiàn)在其速度最大的時(shí)刻,即10s時(shí),在其前方10 m處產(chǎn)生了高達(dá)600 Pa的正壓,相當(dāng)于11級(jí)暴風(fēng)；王家?guī)r滑坡體產(chǎn)生的超前沖擊氣浪在滑坡運(yùn)動(dòng)到8.5s時(shí),已經(jīng)讓其運(yùn)動(dòng)路徑前方110m處的砌體結(jié)構(gòu)建筑物迎風(fēng)面下部表面產(chǎn)生了最大391Pa的正壓,相當(dāng)于10級(jí)狂風(fēng)。持續(xù)增大的超前沖擊氣浪荷載,讓砌體結(jié)構(gòu)下部產(chǎn)生的局部小裂縫逐漸貫通并向上延伸,導(dǎo)致了砌體結(jié)構(gòu)建筑物在下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了明顯的結(jié)構(gòu)破壞,上部結(jié)構(gòu)的豎向荷載在傳遞至底層時(shí)發(fā)生中斷從而造成結(jié)構(gòu)物在上部荷載作用下開始坍塌�？紤]到王家?guī)r滑坡前方受到氣浪破壞的建筑物,在此前的強(qiáng)震過程中已經(jīng)或多或少的產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)性的破壞,因此推測現(xiàn)實(shí)中很有可能在8.5s之前,其運(yùn)動(dòng)路徑前方的建筑物就已經(jīng)發(fā)生倒塌破壞。(3)謝家店子高速滑坡在天然(沒有樁林防護(hù))情況下從啟動(dòng)到停止總共歷時(shí)80s；其最大速度出現(xiàn)在40s時(shí)的18.3 m/s；超前沖擊氣浪速度的最大值出現(xiàn)在40s左右,位于滑體前緣25 m范圍之內(nèi),其最大速度為11.0 m/s；超前氣浪壓強(qiáng)的峰值出現(xiàn)在其速度最大的時(shí)刻,即40s時(shí),在其前方0-l0m處產(chǎn)生了高達(dá)385 Pa的正壓,相當(dāng)于10級(jí)狂風(fēng),可拔起樹木,損壞建筑物。分析對(duì)比謝家店子高速遠(yuǎn)程滑坡在有樁林與無樁林防護(hù)情況下的模擬結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)：①在有樁林防護(hù)情況下,碎屑流體在堆積區(qū)的范圍顯著減小,碎屑流主要堆積在流通區(qū)下部設(shè)置樁林的位置,只有部分碎屑流體在堆積區(qū)停積,與無樁林防護(hù)情況對(duì)比,碎屑流堆積區(qū)的面積減小了2/3；②在有樁林防護(hù)情況下,碎屑流體中最大速度的位置由前部向中前部移動(dòng),受到樁林淤積處碎屑流的阻擋,越過樁林的碎屑流體速度有明顯的減小,碎屑流的動(dòng)能也隨之減�。虎塾袠读址雷o(hù)的碎屑流,其前緣超前沖擊氣浪的速度相比無樁林情況有明顯的減小,并且超前沖擊氣浪的壓強(qiáng)值也顯著的減��；④樁林防護(hù)結(jié)構(gòu)中,前排樁樁身受到的沖擊壓強(qiáng)大于后排樁身受到的沖擊壓強(qiáng),且沖擊壓強(qiáng)主要集中在樁身的中下部。
【關(guān)鍵詞】：高速遠(yuǎn)程滑坡 超前沖擊氣浪 動(dòng)力學(xué)分析 數(shù)值模擬 建筑物 樁林防護(hù)結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：P642.22
【目錄】：

• 摘要7-9
• ABSTRACT9-15
• 第1章 緒論15-38
• 1.1 引言15
• 1.2 研究意義15-17
• 1.3 高速遠(yuǎn)程滑坡典型實(shí)例及機(jī)理研究現(xiàn)狀17-23
• 1.3.1 國外關(guān)于高速遠(yuǎn)程滑坡典型實(shí)例及機(jī)理研究17-19
• 1.3.2 國內(nèi)關(guān)于高速遠(yuǎn)程滑坡典型實(shí)例及機(jī)理研究19-22
• 1.3.3 關(guān)于汶川地震誘發(fā)高速遠(yuǎn)程滑坡實(shí)例研究22-23
• 1.4 國外關(guān)于高速遠(yuǎn)程滑坡運(yùn)動(dòng)本構(gòu)模型及數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀23-28
• 1.5 國內(nèi)關(guān)于高速遠(yuǎn)程滑坡運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀28-29
• 1.6 高速遠(yuǎn)程滑坡超前沖擊氣浪研究現(xiàn)狀29-31
• 1.7 高速遠(yuǎn)程滑坡防護(hù)結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀31-32
• 1.8 研究的出發(fā)點(diǎn)32-34
• 1.9 主要研究內(nèi)容、方法和技術(shù)路線34-38
• 1.9.1 研究內(nèi)容34-35
• 1.9.2 研究方法、技術(shù)路線35-38
• 第2章 高速遠(yuǎn)程滑坡數(shù)值模擬方法38-49
• 2.1 高速遠(yuǎn)程滑坡等效流體假設(shè)38-39
• 2.2 高速遠(yuǎn)程滑坡流體阻力關(guān)系39-41
• 2.3 計(jì)算流體力學(xué)(CFD)理論基礎(chǔ)41-45
• 2.3.1 基本控制方程41-42
• 2.3.2 控制方程的離散基本思想42-43
• 2.3.3 控制方程求解的基本思想43
• 2.3.4 邊界條件43-44
• 2.3.5 計(jì)算流體力學(xué)(CFD)求解流程44-45
• 2.4 FLUENT數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)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 標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型46-47
• 2.4.4 流體體積VOF法47
• 2.4.5 用戶自定義函數(shù)UDF47-49
• 第3章 牛圈溝高速遠(yuǎn)程滑坡超前沖擊氣浪機(jī)理研究49-92
• 3.1 牛圈溝高速遠(yuǎn)程滑坡工程地質(zhì)條件49-50
• 3.1.1 地形地貌49
• 3.1.2 地層巖性49-50
• 3.1.3 地質(zhì)構(gòu)造50
• 3.2 牛圈溝高速遠(yuǎn)程滑坡運(yùn)動(dòng)及氣浪特征50-52
• 3.3 牛圈溝高速遠(yuǎn)程滑坡二維動(dòng)力學(xué)模擬52-65
• 3.3.1 基本假設(shè)52
• 3.3.2 模型建立52-53
• 3.3.3 流變關(guān)系53-54
• 3.3.4 模型計(jì)算54
• 3.3.5 滑坡二維動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果分析54-57
• 3.3.6 超前沖擊氣浪二維模擬結(jié)果分析57-65
• 3.4 牛圈溝高速遠(yuǎn)程滑坡三維動(dòng)力學(xué)模擬65-89
• 3.4.1 模型建立65-66
• 3.4.2 模型流變關(guān)系及計(jì)算66-67
• 3.4.3 滑坡三維動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果分析67-75
• 3.4.4 超前沖擊氣浪三維動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果分析75-89
• 3.5 牛圈溝高速遠(yuǎn)程滑坡二維與三維動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果對(duì)比分析89-92
• 第4章 王家?guī)r高速遠(yuǎn)程滑坡超前沖擊氣浪對(duì)建筑物破壞機(jī)理研究92-141
• 4.1 王家?guī)r高速遠(yuǎn)程滑坡工程地質(zhì)條件92-93
• 4.1.1 地形地貌92-93
• 4.1.2 地層巖性93
• 4.1.3 地質(zhì)構(gòu)造93
• 4.2 王家?guī)r高速遠(yuǎn)程滑坡運(yùn)動(dòng)及氣浪特征93-97
• 4.2.1 滑坡運(yùn)動(dòng)特征93-96
• 4.2.2 氣浪影響特征96-97
• 4.3 王家?guī)r高速遠(yuǎn)程滑坡三維動(dòng)力學(xué)模擬97-99
• 4.3.1 模型建立97-99
• 4.3.2 模型計(jì)算99
• 4.4 王家?guī)r高速遠(yuǎn)程滑坡三維模擬結(jié)果分析99-106
• 4.4.1 滑體堆積體分布99-104
• 4.4.2 滑體運(yùn)動(dòng)速度104-106
• 4.5 王家?guī)r高速遠(yuǎn)程滑坡超前沖擊氣浪三維模擬結(jié)果分析106-112
• 4.5.1 超前沖擊氣浪速度分析106-108
• 4.5.2 超前沖擊氣浪壓強(qiáng)分析108-112
• 4.6 王家?guī)r高速遠(yuǎn)程滑坡超前沖擊氣浪對(duì)建筑物的破壞分析112-140
• 4.6.1 LS-DYNA簡介及計(jì)算理論基礎(chǔ)112-114
• 4.6.2 LS-DYNA中建筑物模型建立114-116
• 4.6.3 建筑物材料模型及參數(shù)116-120
• 4.6.4 FLUENT模擬建筑物表面氣浪壓強(qiáng)特征分析120-129
• 4.6.5 氣浪對(duì)建筑物破壞作用機(jī)理分析129-140
• 4.7 本章小結(jié)140-141
• 第5章 謝家店子高速遠(yuǎn)程滑坡超前沖擊氣浪防控機(jī)理研究141-189
• 5.1 謝家店子高速遠(yuǎn)程滑坡工程地質(zhì)條件141-143
• 5.1.1 地形地貌141-142
• 5.1.2 地層巖性142
• 5.1.3 地質(zhì)構(gòu)造142-143
• 5.2 謝家店子高速遠(yuǎn)程滑坡運(yùn)動(dòng)及氣浪特征143-145
• 5.2.1 滑坡運(yùn)動(dòng)特征143-145
• 5.2.2 氣浪影響特征145
• 5.3 謝家店子高速遠(yuǎn)程滑坡及防護(hù)結(jié)構(gòu)三維動(dòng)力學(xué)模擬145-148
• 5.3.1 模型建立145-147
• 5.3.2 流變關(guān)系及計(jì)算147-148
• 5.4 謝家店子高速遠(yuǎn)程滑坡及防護(hù)結(jié)構(gòu)三維模擬結(jié)果對(duì)比分析148-168
• 5.4.1 滑坡堆積體分布對(duì)比148-165
• 5.4.2 滑體運(yùn)動(dòng)速度對(duì)比165-168
• 5.5 謝家店子高速遠(yuǎn)程滑坡超前沖擊氣浪及防護(hù)結(jié)構(gòu)三維模擬結(jié)果對(duì)比分析168-177
• 5.5.1 超前沖擊氣浪速度分析168-172
• 5.5.2 超前沖擊氣浪壓強(qiáng)分析172-176
• 5.5.3 碎屑流前緣豎直方向上氣浪壓強(qiáng)對(duì)比176-177
• 5.6 謝家店子高速遠(yuǎn)程滑坡防護(hù)結(jié)構(gòu)作用及機(jī)理分析177-187
• 5.7 本章小結(jié)187-189
• 結(jié)論與展望189-193
• 結(jié)論189-192
• 展望192-193
• 致謝193-195
• 參考文獻(xiàn)195-216
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及科研成果216-217

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本文編號(hào)：963315