基于颗粒流方法的堆积层滑坡运动过程模拟

以颗粒流离散元为研究方法对勉县杨家湾十组堆积层滑坡破坏方式与运动过程进行数值模拟研究。通过PFC^2D双轴模拟试验所标定的岩土体宏观模拟参数与室内试验所获取的宏观实测参数进行对比,确定堆积层滑坡所需的颗粒细观参数,然后将标定的细观参数代入堆积层滑坡模型,对滑坡破坏方式及运动过程进行模拟研究。结果表明：滑坡破坏在初始阶段蠕滑变形累积,滑坡体挤压坡脚,直至坡脚产生剪切破坏,并向上牵引发展,使得滑坡整体顺接触面破坏下滑并堆积于坡脚,表现为典型的牵引式渐进破坏,结果与实际情况基本吻合。研究认为,采用颗粒流方法对堆积层滑坡破坏与运动过程的模拟研究具有较高的适用性,对该类滑坡防治具有一定的参考意义。     

高速远程滑坡颗粒流研究进展

颗粒流是高速远程滑坡物质演化过程的一个重要阶段,也是从细观角度揭示其超常运动特性的重要手段.颗粒流所采用的主要研究方法以及取得的重要理论成果,可以为高速远程滑坡动力学机理的研究提供重要的技术手段和理论支持.本文聚焦颗粒流研究进展,从颗粒流基本概念、流态特征及流变本构模型、颗粒流粒径分选机制等方面进行了系统梳理;进而,从理论、实验及数值计算模型3个方面对高速远程滑坡研究中颗粒流理论及方法的应用进行了系统性述评;在此基础上,提出了从颗粒流角度研究高速远程滑坡动力学机理涉及的关键科学问题:高速远程滑坡高流动性的起源涉及哪些物理过程？如何量化和模拟其多分散性和破碎过程？如何量化描述颗粒尺寸分布的时空演变及其与流动的耦合？如何从其沉积特征中探究流动的传播机制？针对这些问题,从基于沉积学特征的颗粒流物理力学过程、考虑尺度效应的颗粒流动力学特性研究、基于颗粒流力学过程的滑坡运动机理及其本构模型、新技术新方法的应用4个方面提出下一步应重点开展的研究工作.      

基于颗粒流模拟的堆积层滑坡过程分析

基于颗粒流离散元程序模拟了堆积层滑坡变形破坏及滑动的全过程。结合现场地质调查资料,总结了拜殿乡Ⅰ号滑坡的成因机制及影响因素,分析表明该滑坡是在内外因共同作用下的结果,其主要原因是滑体物质松散,雨水入渗形成软弱滑动带,导致坡体的变形滑动。采用数值试验确定土体细观参数与宏观力学性质的关系,建立拜殿乡Ⅰ号滑坡数值模型,考虑降雨对滑带土强度的软作用化,对滑坡变形破坏及滑动全过程进行了模拟。模拟结果表明：滑带土强度降低后坡脚出现剪切破坏集中区,后缘处出现拉张裂破坏集中区,随着坡体缓慢的蠕动变形,坡脚的裂隙范围逐渐扩大,坡体中后缘出现多条拉张裂隙;根据滑体的运动速度将滑动过程分为蠕动变形、滑动加速、滑动减速和缓慢堆积4个阶段;滑坡滑动情况和最终堆积状态表明拜殿乡Ⅰ号滑坡严重威胁龙潭村小学及乡村公路的安全,模拟结果对该滑坡的工程治理具有重要的指导价值。     

基于颗粒流的堆石料三轴剪切试验研究

近年来频发的地质灾害使得深入研究大坝堆石体受力变形机制显得愈发迫切和重要。针对堆石颗粒具有形状极其不规则、咬合作用突出的特点,编写了一个简单易用的程序来随机生成形状不规则的数值颗粒。以正四面体为核,按照晶胞繁衍的方式,生成堆石的仿真颗粒集合体。模拟排水剪切条件下的大三轴试验,通过分析数值试验过程中细观参量的变化规律,探讨三轴剪切条件下堆石体变形的细观机制。分析表明,按照晶胞繁衍法生成的数值颗粒与圆颗粒相比能更好地模拟堆石,由颗粒簇形成的咬合力能形成更真实的力-变形关系;数值试验得到的应力-应变曲线和体变曲线与室内三轴试验结果基本一致;颗粒的破碎速率是联系堆石体宏、细观力学性质的重要纽带,通过分析堆石体颗粒破碎4个阶段细观参量的变化规律,深化了对堆石体变形机制的认识。     

海底滑坡海啸的颗粒流耦合模型

海底滑坡的运动可能引发海啸,破坏离岸设施,威胁海岸带安全。国内外关于海底滑坡引发海啸的研究方兴未艾。采用Mih颗粒流模型控制具弱黏聚力的砂土滑坡运动,利用两相流模型计算岩土体-水体相互作用及RNG湍流模型控制水体运动,构建了基于颗粒流模型的海底滑坡海啸全耦合数值分析方法。通过简单水槽水下滑坡案例进行了海底滑坡海啸全过程研究。数值分析再现了变形滑体的不均一运动、密度分异流动、水滑机制和以波谷为典型特征的涌浪波等典型海底滑坡及海啸现象,这表明数值模型具有有效性。许多海域（包括中国南海北部）都存在弱黏聚力和无黏聚力的水下滑坡,该数值方法值得推广和进一步研究完善。     

边坡落石灾害的颗粒流模拟方法

落石是边坡的一种常见的动力地质灾害。基于颗粒流理论,提出了落石灾害的二维的可视化模拟方法。通过颗粒流中不同参数的ball单元的组合模拟了各种形状和特性的落石体;通过wall单元的组合模拟坡面;选择ball-ball和ball-wall的接触刚度模型、粘结模型和滑移模型等接触本构模型来反映落石运动过程中落石岩块内部各部分和落石与坡面作用行为;实现了边坡落石灾害的二维可视化模拟。模型模拟出落石的自由落体、弹跳、滑动和滚动等运动形式、运动过程岩块的崩解;得到了落石的运动速度、位移等运动学参数。工程实例初步验证了该方法的可行性、合理性。     

颗粒流离散元在滑坡运动过程模拟中的应用

介绍了颗粒流离散元的分析原理,以某岩质边坡为实例,构建了计算模型。根据实际资料,在计算模型中加了节理,节理的力学参数弱于岩体。在下方的抗滑挡土墙完全失去作用的情况下,用此模型对该滑坡的运动过程进行了计算预测,分析了整体的变形、不同部位的位移和应力等运动特点,上部粉质粘土区系拉裂引起的下滑,下部碎石土区因挡墙损坏而产生沿节理面的滑动,但拉应力变化不大。指出了在该滑坡存在2个滑动面,并针对2个滑动面提供了相应的治理建议。     

考虑破碎的堆石料颗粒流数值模拟

以双江口300 m级高土石坝为工程背景,根据有关资料的试验数据,利用二维颗粒流计算机仿真技术对堆石料在一定围压下的颗粒破碎情况进行了数值模拟,数值试样由2 574个簇颗粒单元组成。数值模拟与室内平面应变试验结果对比表明,用选定的细观参数进行数值模拟与平面应变试验结果基本一致,说明用颗粒流方法进行数值模拟能够较好的再现堆石料的颗粒破碎特性。与室内试验相比,数值仿真模拟还能得到颗粒破碎的细观演化规律和破碎带的分布范围,从而为进一步建立考虑颗粒破碎的堆石坝本构模型,研究大坝填筑、水库蓄水过程以及地震情况下的颗粒破碎过程以及颗粒破碎所引起的坝体变形提供了一条途径。     

砂岩常规三轴的颗粒流数值模拟

以砂岩的室内试验数据为参照,使用颗粒流数值程序PFC3D,建立刚性颗粒组成的模型.通过设置颗粒接触模量、颗粒刚度比和接触粘结强度等细观力学参数,得到有合适宏观力学反应的模型.通过数值模拟获得砂岩微裂隙发展的过程,得到不同围压下砂岩的应力-应变曲线,反应出砂岩试样的弹性模量随围压增大而增大的性质.结果表明,PFC3D程序能够较好地模拟荷载作用下岩石的细观力学特性和宏观力学反应.     

基于物理模型试验的碎屑流流态化运动特征分析

流态化运动是高速远程滑坡的主要运动形式,是揭示高速远程滑坡运动机理的重要基础。基于粒子图像测速（PIV）分析方法,采用物理模型试验对不同粒径组成条件下的颗粒流内部的速度分布、剪切变形及流态特征进行了研究,并对高速远程滑坡流态化运动特征进行了讨论分析。结果表明：碎屑流流态化运动特征与颗粒粒径呈显著的相关性,随着粒径的减小或细颗粒含量的增加,颗粒流底部相对于边界的滑动速度以及整体的运动速度均呈逐渐减小的趋势,颗粒流内部剪切变形程度增加,颗粒的运动形式由“滑动”向“流动”转变;当颗粒粒径较小或细颗粒含量较高时,颗粒流内部剪切速率增大的趋势在颗粒流底部更加显著,反映了粒径减小有助于促进颗粒流内部剪切向底部的集中;在同一颗粒流的不同运动阶段及不同纵向深度,其流态特征具有显著差别,颗粒流前缘及尾部主要呈惯性态,颗粒间以碰撞作用为主,而主体部分则主要呈密集态,颗粒间以摩擦接触作用为主;在颗粒流表面及底部,颗粒间相互作用方式主要是碰撞作用,中间部分则以摩擦作用为主;对于不同粒径的颗粒流,随着粒径的增大或粗颗粒含量的增加,颗粒流内部颗粒的碰撞作用加强,颗粒流整体趋于向惯性态转变。     

基于数字图像测量的Duncan-Chang模型参数研究

利用三轴土样变形数字图像测量系统进行研究,发现不同测量方式得出的Duncan-Chang模型参数的差别很大。分析得出,数字图像局部变形非接触式测量与传统整体测量方式是导致模型参数存在差异的主要原因。数值算例说明了模型参数差别对位移计算结果的影响程度,变形数字图像测量得到的模型参数K和Kb比传统测量的结果高2~3倍,相应的位移计算结果是传统测量方法模型参数计算得到结果的一半。     

基于数字水位模型的地下水降落漏斗提取

文章首先介绍了利用克立格插值方法建立地下水数字水位模型的原理,然后在此模型的基础上,按照地下水降落漏斗的基本定义,提出了一种自动化提取降落漏斗的算法。最后通过一个算例的实现,对比地下水等水位线,证明了根据该算法提取的结果较准确地反映了地下水降落漏斗的水文地质含义,科学、客观地表达了水位下降区的空间形态,是数字地下水建设的有益探索。     

一种基于面向对象辅以DSM的建筑物提取方法

基于面向对象技术并辅以DSN的方法来快速提取建筑物信息,从LiDAR点云数据生成的DSM中提取到坡度信息,并根据对象的高度信息来提取到建筑物的大致轮廓,然后分割建筑物轮廓外的对象,依据已分建筑物对象的空间信息、形状信息及光谱信息来优化建筑物轮廓。实验结果表明,提取到的对象的正确率为97. 9%,完整率为96. 4%。     

基于数字图像测量技术的砂土剪切带分析

在进行土工试验时,土样端部摩擦效应和初始缺陷都可以引起试样的不均匀变形,进而形成宏观的剪切带。基于数字图像测量技术改进了GDS多功能三轴仪,进行砂土的固结排水三轴试验,获得了试样在不同时刻的应变等值线云图和局部应力-应变全曲线,研究了试样端部的摩擦效应。结果表明,端部摩擦显著地影响试样的力学特性,对径向应变的影响可达10%。通过在砂土试样中放置粉质黏土块的方法获得了宏观不均匀土样,并测试其剪切带的形成过程。测试结果表明,试样在两种材料的界面处形成不连续刚度,引起变形的不均匀发展,进而形成宏观的剪切带而破坏。     

遥感图像数字处理新方法-模拟反射率图像

随着遥感技术的飞速发展及图像分辨率的提高,对改善图像质量的处理技术要求越来越高,现有的处理手段已不能满足新的需求,其中遥感数据信息的完整利用尤为突出。TM数据有七个波段,一般只利用其中三个波段的信息,其它波段的信息没有被利用。基于TM数据的模拟反射率图则囊括TM数据七个波段的信息,信息利用完整,图像质量得到了很大提高。这里严格推导了基于TM数据构建模拟反射率图的原理和构建流程,并根据实验结果,总结了基于TM数据的模拟反射率图的特点主要有:①阴影区的分辨率得到了提高;②整体图像质量提高,图像处理由传统的不定量(拉伸)处理变为定量(特定处理工艺)处理;③信息利用完整;④对水体有一定程度的透视作用。     

基于数字图像相关方法的动载颗粒体系力链破坏机制初探

颗粒物质是具有复杂力链网络的常见体系,其平衡和稳定性取决于内部力链骨架的几何结构和力学性能。为恰当刻画颗粒体系的微细观力学行为,从颗粒局部排列形态、颗粒间接触力和颗粒及外荷载的物理参数出发,展开基于二维数字图像相关技术（2D-DIC）的集中力作用下颗粒体系变形的试验。通过结合DIC的试验方法,应用牛顿力学理论及颗粒线性动量平衡获得颗粒间接触力的大小和方向,确定力链的动力学规律;得到颗粒间接触力大小分布变化并提取颗粒体系力链;提出颗粒排布的两种状态：横向传力和纵向传力状态;分析颗粒接触面法线与水平轴的夹角?、传力角?,讨论了?、? 对力链断裂破坏的影响;分析颗粒直径d与外荷载压条直径D的比值R以及压条下表面能直接接触的最大颗粒数N等参数,为描述力链的演化和破坏重构机制提供参考基础;简单阐述了力链网络在外荷载下的微细观统计效应对体系宏观力学性质的影响规律。     

遥感图象处理与信息提取方法的研究

在图象预处理中．为了研究不同处理方法的效果．分别采用了灰度变换、图象平滑和图象锐化等方法,经过比较发现,不同的增强方法对不同的特征地物的效果有明显的差异;在图象信息提取时,分别使用最小距离法、比值法和组合比等方法．采用不同波段的图象组合进行运算,可以依次突出不同的地物信息．从而达到了信息自动识别的目的。     

A Godunov method for localization in elastoplastic granular flow

The equations governing the elastic-plastic deformation of granular materials are typically hyperbolic, or contain small-magnitude damping or rate effects. A finite element algorithm is the standard method for the numerical integration of these systems. In particular, finite elements allow great flexibility in the design of grid geometry. However, modern finite difference methods for hyperbolic systems have been successful in aerodynamics computations, resolving wave structures more sharply than finite element schemes. In this paper we develop a finite difference scheme for granular flow problems. We report on a second-order Godunov-type scheme for the integration of hyperbolic equations for the elastoplastic deformation of a simple model of granular flow. The Godunov method includes a characteristic tracing step in the integration, providing minimal wave dispersion, and a slope limiting step, preventing unphysical oscillations. The granular flow model we consider is hyperbolic, but hyperbolicity is lost at a large value of accumulated plastic strain. This loss of hyperbolicity is a tell-tale signal for the formation of a shear band within the sample. Typically, when systems lose hyperbolicity a regularization mechanism is added to the model equations in order to maintain the well posedness of the system. These regularizations include viscosity, viscoplasticity, higher-order gradient effects or stress coupling. Here we appeal to a very different kind of regularization. When the system loses hyperbolicity and a shear band forms, we treat the band as an internal boundary, and impose jump conditions at this boundary. Away from the band, the system remains hyperbolic and the integration step proceeds as usual.     

基于数字图像处理技术的冰川堆积物粒度分析——以川西贡嘎山冰川堆积物为例

冰川堆积物的粒度组成在很大程度上控制了其物理力学性质,但常规试验无法得到连续的冰川堆积物的粒度组成数据。应用数字图像处理技术和室内试验相结合的分析方法,首先借助图像处理技术,对冰川堆积物剖面的砾石形态进行分析,获取粗粒部分(>2cm)的粒度组成,然后采用室内颗分试验获得细粒(<2cm)部分的粒度组成,将2类粒度数据进行叠合即可获取连续的冰川堆积物的粒度组成。结果表明：研究区冰川堆积物的粒度组成极不均匀且颗粒分析曲线呈现多峰性,具有良好的级配和工程性质;冰川堆积物的粒度组成、砾石形态和排列特征都有很好的分形特征。     

An online detection system for aggregate sizes and shapes based on digital image processing

Mineralogy and Petrology - Traditional aggregate size measuring methods are time-consuming, taxing, and do not deliver online measurements. A new online detection system for determining aggregate...