径流条件下散粒体斜坡的颗粒冲刷启动机理

摘 要：为研究地表径流对散粒体斜坡的冲刷侵蚀效应,根据斜坡坡面径流和坡内渗流特征建立了散粒体斜坡径流-渗流耦合模型。该模型用Navier?Stokes方程描述淹没区坡面径流,用Brinkman-extended Darcy方程描述散粒体斜坡坡内渗流。径流区和渗流区的流体运动均满足连续性方程,且在交界面处的流体满足Neal和Nader提出的流速相等和剪应力连续双边界条件。采用Navier?Stokes方程和Brinkman-extended Darcy方程分别联立连续性方程推求出径流区和渗流区的流速分布。分析流速理论表达式可知,影响斜坡表部径流流速和坡体内部渗流流速的主要因素有斜坡坡度、径流水深、斜坡散粒体的孔隙率和渗透率,且流速随它们的增大而增大。为探究在径流条件下散粒体斜坡坡面颗粒的冲刷启动机理,引入Newton内摩擦定律求得径流区和渗流区交界面上的切应力,并对颗粒发生滑动和滚动两种情况分别进行受力分析,给出了颗粒滑动和滚动两种运动方式相应的失稳判据。分析两种判据可知：(1)颗粒发生滑动时,其抗滑稳定安全系数主要受散粒体斜坡坡度、颗粒的内摩擦角、颗粒半径、径流水深、散粒体斜坡孔隙率和渗透率的影响,且随颗粒的内摩擦角、颗粒半径、散粒体斜坡孔隙率和渗透率的增大而增大,随散粒体斜坡坡度和径流水深的增大而减小;(2)颗粒发生滚动与否主要取决于散粒体斜坡坡度、径流水深、颗粒半径、散粒体斜坡孔隙率和渗透率,且它们的值越大,颗粒越容易失稳。     

二长岩节理抗剪强度三轴试验研究

摘要：为确定岩石节理的剪切强度,在MTS815型程控伺服岩石刚性试验机上对含不规则、无充填岩石节理试件进行三轴试验。试验过程利用伺服控制系统连续获得同一试件在不同围压条件下对应的最大轴压,并根据弹性力学理论求得不同围压下节理面的正应力和剪应力。除对每一试件的试验结果按线性Mohr-Coulomb准则拟合获得摩擦角和内聚力外,利用Matlab软件的曲线拟合工具对所有试件的正应力和剪应力分别进行了线性Mohr-Coulomb准则拟合、幂函数拟合和非线性Barton公式拟合,对比它们的拟合效果可知：(1)线性Mohr-Coulomb准则拟合明显比幂函数拟合和Barton公式拟合要差,尤其是在低正应力条件下线性Mohr-Coulomb准则拟合将高估岩石节理的剪切强度。(2)幂函数拟合和Barton公式拟合的曲线几乎重合,且总体反映了岩石节理剪切强度的非线性特征。(3)在较高正应力下,线性Mohr-Coulomb准则、幂函数和非线性Barton公式对应的剪切强度均偏高。同时,为了估计拟合公式基本参数的合理性,根据试验成果对Barton公式基本参数进行了比较可靠的区间估计。估计结果表明：用Matlab软件的曲线拟合工具直接根据试件三轴试验结果进行Barton公式拟合的基本参数在某一置信水平(如99.73%)的上、下边界获得的区间估计明显脱离实际物理意义,是错误的;而通过幂函数进行对数转换后确定出参数的上、下边界,获得幂函数相应的上、下限曲线后,再用Barton公式拟合幂函数的上、下限曲线所得的基本参数的区间估计则是合理的。