坡面径流对斜坡散粒体稳定性影响的试验分析

坡面径流是松散介质斜坡上颗粒发生搬运滚动的水动力条件。为研究坡面径流对斜坡散粒体颗粒稳定性的影响,开展室内水槽冲刷试验。试验设置3种粒径和4种坡度,通过高清摄像捕获斜坡散粒体受水流冲刷起动过程,获得不同条件下颗粒冲刷起动的临界径流水深h_cr。实验结果表明：在同一粒径条件下,起动水深h_cr随着斜坡坡度的增大而减小;而在同一坡度条件下,起动水深h_cr随着粒径的增大,出现先增大后减小的情况,这主要是由于随着颗粒粒径的增大,坡体的渗透性增强,在水流的渗透作用下,颗粒更容易发生运移造成的。为合理解释实验现象,建立斜坡径流-渗流耦合模型来分析坡面径流条件下颗粒的稳定性变化情况,通过将水流的流速特征与土颗粒的受力起动特性结合起来,给出临界水深h_cr的理论表达式,其主要受颗粒粒径、颗粒比重、孔隙率、坡体渗透率和斜坡坡度等因素共同控制。通过将实验结果与计算结果进一步对比发现,在同一粒径区间内,临界水深h_cr的实测值与理论值均随坡度的增大而减小,而理论值与实测值之间的相对误差随坡度的增大而增大,但其均控制在35%以内,并对产生该误差的原因进行了分析。为修正实测值与计算值之间的误差,应用MATLAB的神经网络模块对数据进行拟合,建立含两个神经网络结构的临界水深h_cr修正公式,精度较高。     

散粒体防水材料的防水机理

通过对散粒体防水材料防水机理的讨论，证明了其防水机理在于反毛细管压力，从而在理论方面论证了其可靠性．     

散粒体流动力学的进展现状

散粒体流动中的现象和过程比发生在固体或流体中更加复杂,且更具有工程实用价值,因此,散粒体力学越来越受到力学界的重视。本文试图以较少篇幅概述散粒体流动力学的理论和实验研究的进展情况,并展望今后的发展方向。     

动力荷载下散粒体的锚杆加固效应

采用细观数值模拟方法研究动力荷载下散粒体的锚杆加固效应,采用随机散粒体不连续变形方法建立加锚散粒体的三维数值试样,对试样施加水平方向的动力荷载,分析散粒体材料在动力荷载条件下的宏观和细观力学特性.分别建立不同锚杆间距、颗粒粒径以及无锚杆的散粒体试样,研究其对动力荷载条件下的散粒体的力学性质影响.数值模拟结果表明:随机散粒体不连续变形方法可以研究动力荷载下散粒体的变形规律及加固效应;锚杆加固可以有效限制散粒体在动力情况下的变形,显著提高散粒体的整体性;与静力加载相同,由于锚杆的挤压使散粒体产生侧向压力,加强了颗粒间的接触作用力;锚杆长度相同的情况下,加锚密度越大,散粒体试样的抗震稳定性越好;当锚杆间距与散粒体平均粒径的比值小于2.35时,锚杆可以很好地提高散粒体结构的自稳能力而保持整体稳定.     

散粒体组构特征对系统自组织临界性的影响

为验证散粒体崩塌中的自组织临界现象是否是一种有限尺度效应,自组织临界现象的发生终究由系统的尺寸还是系统的组织原则来确定,进行了均匀和非均匀散粒体崩塌的实验.实验证明影响系统自组织临界性的关键内因应为系统组构特征而并非前人所认为的组元尺度或系统规模.进而采用离散单元法对均匀和非均匀砂堆的应力传递和分布状况进行了数值模拟,从孔隙率、配位数和信息熵三个指标的比较来看,非均匀散粒体系统内部颗粒之间相互充填更充分,应力分布和传递状况更趋复杂,从而系统结构更具稳定性,系统呈现自组织临界性.同时,模拟结果表明,二者应力传递路径的分维值并无明显差别,说明分形结构目前尚不能作为系统自组织临界性质的判据.     

基于微观力学分析的散粒体静力液化本构模型

针对散粒体的静力液化特性,在散粒体颗粒运动微观力学分析的基础上,在临界状态土力学框架内建立了一个简单的静力液化弹塑性本构模型.模型屈服函数和和硬化规律根据Chang提出的砂土微观力学模型,通过积分粒间接触力为宏观的应力不变量而建立,考虑了与材料状态相关的剪胀性和初始密度对散粒体应力-应变关系的影响,并采用非相关联的流动法则.模型参数简单且有较明确物理意义,可以通过室内三轴试验确定.模型的数值结果与Toyoura砂以及砂-粉混合土的三轴不排水剪切试验的应力-应变曲线和应力路径吻合较好.     

散粒体的自组织临界性分析

基于二维模拟实验,研究竖向荷载下散粒体中的自组织临界性,揭示细观拱效应与宏观大崩塌的变化规律,以及拱效应与材料性质的关系.散粒体中每个小自组织的临界发展过程包括自组织搭拱、拱随遇平衡和拱崩塌的动力学演化.散粒体大坍塌是众多小自组织临界发生后的力学性质由量变到质变的过程.用随机理论细观探讨一个预期失败模式的理论模型,为研究散体材料结构自组织临界性系统的可预测性及灾害预测预报提供了科学依据.