地震触发崩塌滑坡自组织临界性研究

汶川地震触发了大量崩塌滑坡灾害.这些规模差异巨大的现象之间,能量及空间是否存在着确定的分布规律?巨型崩滑和小规模坍塌是否遵从不同的形成机理?这些都是亟待解决的基本科学问题.作者在自组织临界状态(SOC)的概念框架下,通过震区典型路段考察,发现位于地震Ⅸ度区的崩滑工点,崩滑方量及崩滑体深度,与崩滑工点数目之间存在着良好的负幂律关系,地震Ⅹ度区也体现出有类似特征;拟静力模拟地震的沙堆离心模型实验表明,模型底板倾斜1.5°时,崩塌的动力学特性可以用幂律描述,底板倾斜达到3°时服从正态分布;元胞自动机模型数值模拟表明,随扰动强度增加沙堆模型动力学特性的演变是渐进的.从而从整体理论上对上述问题提出新的解释:处于青壮年期的山地斜坡系统具有SOC的内禀基本属性;存在一个地震强度阈值,在此之下地震触发的崩滑规模与出现频率之间的分布规律可用幂律描述,巨型崩滑灾害和小规模坍塌现象遵从同一形成机理.全新的认识可望为地震触发崩塌滑坡灾势评估提供普适性的概型并建立应用框架.     

砂堆雪崩幂律分布现象的解释

自组织临界性的提出者Per Bak认为,处于临界状态砂堆雪崩呈现幂律分布,可作为广延耗散动力系统自组织临界性存在的证据。采用真实砂堆试验和元胞自动机砂堆模拟两种方法进行研究,提出处于亚临界状态的砂堆,在向临界状态演化的过程中,砂堆在亚临界状态发生众多小规模的雪崩,越接近临界状态,系统的波动越强,大规模的雪崩也时而发生,因此在从亚临界状态向临界状态演化的过程之中,大规模雪崩的发生次数少,小规模雪崩发生的次数多,雪崩发生的规模也呈现幂律分布,并认为这种情况更具普适性。     

散粒体的自组织临界性与非均匀介质的元胞自动机模型

目前,普遍认为自组织临界性的发生与尺度效应和组织原则有关。尺度效应以各国开展的沙堆试验为基础,而组织原则未见有人讨论。首先,进行了不同级配的散粒体沙坡试验,发现散粒体自组织临界性与粒径的非均匀系数有关。随着非均匀系数的逐渐增大,散粒体呈现出不同的试验现象和统计结果,并且散粒体系统的动力行为由准周期到自组织临界性再到准周期进行演化。其次,设计了能够描述非均匀介质和体现非均匀系数的元胞自动机模型,即引入由于摩擦力造成的能量损耗作为表征沙粒表面不同粗糙度的物理量。通过调整能量损耗和半径的取值,可以进行不同非均匀系数、不同规模的元胞自动机数值模拟,其统计结果与真实散粒体沙堆试验相类似。通过沙堆试验和计算机模拟,发现组织原则与系统的鲁棒性和敏感性是否达到平衡有关。只有当非均匀散粒体维持整体的鲁棒性和敏感性的平衡时,才可能突破尺度局限,使大尺度的系统仍呈现自组织临界性;但当非均匀系数继续增大,使系统的鲁棒性占优,而敏感性消失或减弱,两者的平衡被破坏时,非均匀散粒体仍不能呈现自组织临界性现象。因此系统的鲁棒性和敏感性达到平衡是系统呈现自组织临界性现象的必要条件之一。     

急斜特厚煤层开采围岩破坏规律研究

通过现场实测、理论分析和相似模拟实验,研究了急斜特厚煤层水平分段放顶煤开采围岩破坏规律,提出了开采引起的围岩破坏传递主途径和破坏分区,分析了影响各破坏区大小的因素。同时,分析了地表塌陷损害的特点,提出利用自重充填等方法控制采动损害和限制地表破坏。     

三维离散单元法数值模拟中查找邻居元的一种新算法

将三维离散单元法(DEM)运用到模拟泥石流运动的计算中时,发现查找邻居元耗费大量时间和空间。为了克服缺点,文中提出了一种新的算法——链树图法,并对其原理、算法、运行时间和空间进行分析。通过与原算法盒子空间法的比较表明,新算法在运行时间和空间都明显优于原算法。     

降雨作用下土体细颗粒迁移特征及其对崩塌的影响

为了研究坡面土体崩塌的时空特征,进行了人工降雨水槽实验,在不同降雨强度下,观测了土体细颗粒的迁移、土体崩塌的时间序列和相应的孔隙水压力变化曲线,并对崩塌体、迁移土体和渗流浆体进行序列取样。实验结束后进行了土体颗粒分析,并结合标度分布参数,对比了坡面相同位置不同深度实验前后颗粒级配的变化,从随机性的角度分析了土体颗分参数与强度之间的关系。结果表明：在降雨作用下,坡体中的细颗粒会发生迁移,使土体结构发生改变。细颗粒在某一位置集聚,引起孔隙水压力增大;在水力梯度较大和细颗粒容易积聚的区域,更容易发生坡面崩塌破坏;坡脚处流出的细颗粒波动越大,坡面崩塌现象越明显;土体的剪切强度和内摩擦角随细颗粒含量的增大而减小;坡面土体颗粒的空间分布决定了土体强度的空间分布,坡面土体剪切强度和内摩擦角均具有Weibull随机分布特征,最终导致坡面土体的崩塌在时间和空间上呈现随机性。     

土工格栅返包土工袋加筋土挡墙的地震响应分析及设计建议

为了研究土工袋加筋土挡墙在地震作用下的抗震性能,开展了大型的振动台模型试验。结果表明：随着加载的持续进行,挡墙模型的自振频率降低,阻尼比增加;PGA放大系数随输入地震动峰值加速度的增大而减小,墙高对PGA放大系数的影响反倒不大。土工袋加筋土挡墙的峰值动土压力呈现“中间小,两头大”的分布规律,且墙高越高,输入地震动峰值加速度越大,峰值动土压力越大,而不同地震波形的频谱差异对土压力量值和分布的影响较小。通过数值模拟研究了坡度对土工袋加筋土挡墙力学特性的影响,认为土工袋加筋土挡墙墙后侧向土压力和筋材的拉应力随着墙体坡度的增大而增大,当墙体坡度小于1∶0.75时,侧向土压力较小;当墙体坡度大于1∶0.75时,墙后土压力迅速增加,土压力的分布图式类似呈三角形分布。筋材的拉应力沿长度方向呈单峰型分布,各层筋材的拉应力随上覆填土厚度的增加而增大,但增加的幅度逐渐减小。另外,土工袋加筋土挡墙的剪应变增量、活动区范围以及位移均随墙体坡度的增大而增大。     

泥石流堵河条件的研究

泥石流堵塞主河是山区河流常发生的灾害之一。本文首先通过室内模型试验,观察到了泥石流堵河的3种形式,即潜坝壅堵、堰塞坝局部阻塞、堰塞坝全堵。根据室内试验得到的堵河过程,建立了交汇区的动力学方程,并结合质点网格（PIC）和标志网格（MAC）算法,提出适用于泥石流与主河水流相互作用的双场耦合模型。该模型主要特点是对混合区不同单元可以用交汇过程中的计算容重表达非牛顿流体的流变参数,还可表达不同单元的泥沙沉积速度。通过模拟计算分析了泥石流堵塞主河的各种主要因素,如速度比,泥石流流变参数、泥石流总量等。在归纳分析试验结果及模拟计算结果的基础上,阐述了采用动量比判定泥石流堵河临界条件的理由,并提出了采用动量比乘以泥石流冲入河道无量纲总量作为堵河的判定综合因子。     

岩石破坏过程的自组织特征与临界条件研究

岩石破坏过程具有自组织临界特征。为了研究这种临界问题,提出了一种利用自组织程度参数α刻画单元之间的应力转移和局部单元上的应力集中的方法,并以单元的破坏强度服从二次Weibull分布为基础,运用重整化群理论建立了计算力学模型,推导了岩石破坏的临界破坏概率pc。结果表明,当单元的破坏概率p小于临界破坏概率pc时,单元的破坏是独立的和随机的,系统向稳定态演化;当单元的破坏概率p大于临界破坏概率pc时,单元的破坏向宏观贯通的张裂面这一吸引域集中,张裂面是自组织临界性的一个动力学吸引子;临界破坏概率pc以及单元承受外载F的能力均与初始条件有关,pc和F/F0随自组织程度参数α增大而减小,且F/F0<1,表明由于应力的转移使得单元破坏应力降低。     

土工格栅加筋路堤抗震优化设计方法研究

为研究路堤工程的抗震设计问题,通过对汶川8.0级地震震区路堤震害进行调查,发现强震作用下未加筋路堤存在边坡坍塌和路而拉裂两种震害模式,而中上部铺设了土工格栅的路堤在强震作用下仍然基本保持完好.路堤顶部铺设长筋,可以阻断路面张拉裂缝向下扩展,从而防止了路堤本体滑坡的形成;路堤中上部铺设短筋,可以抑制坡面土体的侧向变形,从而防止了路堤坡面滑塌.基于震害调查结论,针对路堤常规加筋方案,提出了路堤中上部铺设短筋的加筋抗震优化设计方法.利用有限差分动力强度折减法,分别对常规加筋模型和加筋优化模型的抗震性能进行了计算.计算结果表明,优化设计以后,筋材用量减少了23.1%,路堤最大地震位移减小了19.0%,土工格栅最大受力减小了14%.优化设计不仅减少了土工格栅用最,而且达到了抑制边坡变形、提高路堤抗震性能的效果,为地震灾区路堤工程灾后重建提供了科学依据.