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题名	基于SPH方法的地质灾害成灾机制及过程模拟研究
作者	梁恒
答辩日期	2019-07-01
授予单位	中国科学院大学
授予地点	成都
导师	何思明
关键词	光滑粒子流体动力学 剪胀效应 固液两相介质 滑坡 流固耦合
其他题名	The Causing Mechanism and Process Simulation of Geological Hazards based on SPH method
学位专业	岩土工程
英文摘要	常见的滑坡、泥石流以及崩塌等地质灾害由于其运动过程中携带巨大的动能和大量的物质迁移，对工程建设、人身安全等造成巨大的危害。由于其物质组成的复杂，其运动过程表现出明显的差异性，如滑坡运动过程中拟固态-拟流态转化现象、饱和松散堆积体的超强流动性以及不同初始体积分数饱和堆积体流动性的差异，灾害体与承灾体的相互作用则涉及到复杂的双向耦合作用，因此基于灾害体的运动机理，开展相关的成灾机制的研究具有重要意义。地质灾害动力演化过程及其与承灾体的相互作用是研究地质灾害成灾机制的关键，现有的地质灾害成灾机制的研究主要集中于采用基于准三维尺度下的深度平均理论或采用三维尺度下的等效模型的运动过程模拟，以及灾害体的冲击力响应，反映地质灾害动力演化机理的真三维尺度下的研究以及灾害体与承灾体相互作用的研究相对比较匮乏。鉴于此，本文在连续介质力学的框架下，基于不同地质灾害运动机理构建相应的物理力学模型，以光滑粒子流体动力学（SPH）方法为研究手段，对地质灾害的动力演化过程定量预测，并通过沙堆试验对固液两相介质的动力演化机理及规律进行分析，在此基础上通过数值模拟结果对比室内模型试验对地质灾害成灾机制进行分析，为地质灾害成灾机制的三维尺度下的研究提供技术支持，论文取得如下主要研究成果：（1）在弹塑性力学的框架引入动态剪胀系数，以体积分数做为颗粒物质流态化运动的判别标准，将拟固态下的剪胀特性和拟流态下的剪胀特性耦合，在构建了剪胀流态化模型，提出了适用于SPH方法的堆积深度计算方法，并通过沙堆崩塌试验对该模型进行了验证，采用该模型对关岭岩崩-碎屑流的运动过程进行了模拟分析，揭示了关岭滑坡转化碎屑流的流态化运动特性，再现了其运动及堆积过程，验证了改进后的剪胀流态化模型模拟滑坡-碎屑流运动的可行性及准确性。（2）在忽略土体中液相渗流的作用和基质吸力的假设条件和考虑土体剪胀的基础上，引入固相体积分数相关的动态剪胀系数，构建了单相剪胀流变模型来描述低渗饱和土体大变形的力学行为，并采用该模型对深圳滑坡的崩塌过程进行了探讨，研究结果表明固相体积分数是影响滑坡流动性的重要因素，随着固相体积分数的增加，动态剪胀系数逐渐增加，超孔隙水压力逐渐减小，滑坡的流动性逐渐降低，并指出压实和排水可以有效的提高人工堆填体的稳定性。（3）将动态剪胀系数、非关联流动法则和Drucker-Prager准则引入弹塑性模型，建立了固相本构模型，引入微可压缩流体的概念建立了液相本构方程，在考虑固液相互作用的条件下推导得出适合构建SPH方法的控制方程形式，提出了适用性更广泛的固液两相流剪胀SPH模型，对不同初始条件的饱和沙堆崩塌过程进行了模拟分析，计算结果表明随着初始固相体积分数的增加，表观坡度随特征粒径的变化趋势由随着特征粒径的增加先减小后增大转变为单调递减，在特征粒径相同的条件下，表观坡度随着初始体积分数的增大而增大，并从孔隙压力、有效应力以及拖曳力的角度对不同初始条件下的饱和沙堆崩塌过程及机理进行了分析，提出采用双反馈机制来描述固液两相介质的运动机理。（4）提出了适用于SPH方法的单相流冲击问题的边界条件、泥石流作用力及冲击速度计算方法，通过物理模型试验和数值模拟对泥石流冲击桥墩的堆积过程及冲击特性进行了研究。研究结果表明，泥石流对桥墩的峰值冲击力与冲击速度、容重和弗洛德数相关，低弗洛德数下的峰值冲击力离散性较小，高弗洛德数下的峰值冲击力离散性较大，数值模拟结果与试验结果吻合较好；对采用单相流模拟低容重泥石流冲击桥墩的不足进行了讨论分析，指出采用的层流模型难以模拟高雷诺数下的湍流行为以及忽略吸附力和表面张力是造成难以低容重泥石流在桥墩处泥浆扩散的重要原因。
语种	中文
页码	157
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.imde.ac.cn/handle/131551/33965]
专题	成都山地灾害与环境研究所_山地灾害与地表过程重点实验室
作者单位	中国科学院成都山地灾害与环境研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	梁恒. 基于SPH方法的地质灾害成灾机制及过程模拟研究[D]. 成都.  中国科学院大学. 2019.

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