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边坡动力破坏过程及塌落范围的颗粒力学模拟

作　者: 杨冰
导　师: 杨军
学　校: 清华大学
专　业: 土木工程
关键词: 边坡失稳高速远程塌落动荷载颗粒流
分类号: TU435
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

我国山地面积广袤，地震构造活动强烈。尤其在西南地区，存在众多高山深谷的自然边坡以及因基础设施建设而形成的大体量人工边坡，这些边坡在强震作用下往往出现崩塌、滑坡、碎屑流等形式的破坏，并且滑坡体具有高速远程的特点，影响范围极广，造成重大的人员伤亡和财产损失。因此，对边坡地震破坏过程以及塌落体的堆积形态和影响范围进行研究，对于边坡的震害预测及基础设施建设时的工程选址，都有重要的理论意义和实用价值。本文主要采用离散的颗粒流方法进行数值模拟研究。首先对颗粒流程序（PFC）中的动力学相关问题进行了探讨。主要研究了阻尼机制以及选取过程，并对不同动力加载模式的模拟结果进行比较，为后文的研究提供了方法基础。然后，利用PFC2D软件建立了典型边坡模型，对动力荷载作用下均质边坡的动力响应进行分析。研究了边坡在动力荷载下位移、速度等响应特征的随荷载峰值、频率和边坡坡角的变化规律，并初步探讨了边坡在动力荷载作用下的塌落范围，给出了震后残余摩擦系数对塌落体形态和范围的影响。此外，结合汶川地震中的牛眠沟滑坡实例，选取典型滑坡断面，采用PFC2D对其运动破坏过程进行模拟，较好的还原了其地震破坏过程及其高速远程滑坡碎屑流运动和堆积的情况，表明颗粒流方法良好的工程应用价值。最后，结合在二维情况下对边坡塌落范围的分析结果，在PFC3D程序中建立了典型的三维立体边坡模型，主要研究分析了边坡沿不同形状沟谷下滑时的塌落体堆积形态及其运动轨迹。并对自重作用下破坏的边坡塌落体堆积形态和动力作用下破坏的情况进行了比较，指出沟谷断面尺寸变化是影响边坡塌落体范围和形态的重要因素。综上所述，本文利用PFC软件较好的模拟了边坡在动力荷载作用下产生的坡体大变形破坏、塌落体的高速滑移和滚落以及重新堆积过程，并分析了各因素对边坡塌落范围的影响，与工程实际有较好的吻合，从而为地震区工程选址和防灾减灾提供了依据。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章引言  9-19
  1.1 研究背景和意义  9-11
  1.2 研究现状  11-16
    1.2.1 动力作用下边坡反应的研究方法  11-14
    1.2.2 颗粒流程序在边坡模拟中的应用  14-15
    1.2.3 高速远程滑坡的仿真模拟研究  15-16
  1.3 本文研究内容和思路  16-19
第2章 PFC 颗粒流程序理论及动力学相关问题研究  19-36
  2.1 PFC 颗粒流方法基本理论  19-21
    2.1.1 力–位移定律  19-20
    2.1.2 运动定律  20
    2.1.3 接触本构关系  20-21
  2.2 PFC 颗粒流程序阻尼机制  21-31
    2.2.1 局部阻尼  21-23
    2.2.2 组合阻尼  23
    2.2.3 粘性阻尼  23-24
    2.2.4 颗粒阻尼参数的选取  24-31
  2.3 PFC 颗粒流动力加载方式  31-35
  2.4 本章小结  35-36
第3章边坡动力破坏过程及塌落范围的 PFC2D 模拟  36-54
  3.1 本章引论  36
  3.2 边坡离散元模型的建立  36-37
  3.3 动力作用下边坡破坏过程的模拟研究  37-47
    3.3.1 坡面放大效应的模拟研究  38-41
    3.3.2 边坡动力破坏过程的模拟结果  41-45
    3.3.3 边坡动力破坏过程的细观分析  45-47
  3.4 动力作用下边坡塌落范围的模拟研究  47-53
    3.4.1 模拟结果  47-49
    3.4.2 运动轨迹分析  49-51
    3.4.3 细观参数对塌落范围的影响  51-53
  3.5 本章小结  53-54
第4章高速远程滑坡实例模拟研究——以汶川地震牛眠沟滑坡为例  54-74
  4.1 本章引论  54
  4.2 滑坡概况  54-58
    4.2.1 地形地貌  56
    4.2.2 滑源区特征  56-57
    4.2.3 碎屑流区特征  57-58
  4.3 PFC2D 边坡数值模型的建立  58-63
    4.3.1 材料参数选取  59-61
    4.3.2 地震荷载输入  61-63
  4.4 PFC2D 数值模拟结果分析  63-73
    4.4.1 滑坡碎屑流运动过程模拟  63-70
    4.4.2 滑坡碎屑流的运动特性  70-73
  4.5 本章小结  73-74
第5章边坡破坏运动过程和塌落范围的 PFC3D 初步模拟  74-92
  5.1 本章引论  74
  5.2 边坡离散元模型的建立  74-78
    5.2.1 模型的几何构成  74-76
    5.2.2 数值试样生成  76-77
    5.2.3 试样加载过程  77-78
  5.3 自重作用下塌落的运动过程模拟  78-84
    5.3.1 塌落过程分析  78-79
    5.3.2 塌落范围分析  79-82
    5.3.3 运动轨迹分析  82-84
  5.4 动力作用下塌落的运动过程模拟  84-90
    5.4.1 塌落过程分析  84-85
    5.4.2 塌落范围分析  85-88
    5.4.3 运动轨迹分析  88-90
  5.5 本章小结  90-92
第6章结论和展望  92-94
  6.1 结论  92-93
  6.2 展望  93-94
参考文献  94-98
致谢  98-99
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  99

边坡动力破坏过程及塌落范围的颗粒力学模拟

内容摘要

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