岩质滑坡启动的滑面微观力学机理
文献类型：学位论文
| 作者 | 吴永
|
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2010-05-01 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 何思明 |
| 关键词 | 滑岩质滑坡 滑面微凸体 轮廓表征 弹塑性 接触摩擦 启动机理 |
| 学位专业 | 岩土工程 |
| 中文摘要 | 岩质滑坡是我国西部山区常见的一种地质灾害，它分布广泛，滑动速度快，突发性强，常造成严重的经济损失和人员伤亡。不同岩质坡体有不同的失稳条件和诱发因子，但从根本上讲，作用在滑面上的抗滑力和下滑力的相对关系才是其稳定性的最本质判据。由于滑面是个包含大量微凸体的粗糙面，且其抗滑能力取决于具有不同空间分布特征间微凸体的接触和摩擦，故解析岩质滑坡启动过程中滑面的微观力学机理对正确认识岩质滑坡形成和防治机理至关重要。为此，论文首先借助分形几何理论，在完成对滑面试件轮廓科学分析的基础上，实现了对岩质滑面粗糙度轮廓的表征和再生成。继而以弹塑性理论为基础，结合滑坡勘察资料和模型试验数据，修正了传统接触摩擦理论，建立了塑性强(弱)化颗粒的接触变形和剪切摩擦模型，探讨了微观高应力状态下岩质滑面的接触和摩擦机理，分析了其微观启动过程和条件，并从宏观上阐述岩质滑坡启动的时空过程，实现对岩质滑坡微观启动的仿真，为岩质滑坡灾害的预测和整治提供的理论依据。具体研究内容如下：1．对岩质滑面上微凸体的空间分布进行分形研究，建立滑面轮廓粗糙度表征的分形手段。论文首先在总结、对比分析前人有关粗糙面表征理论的基础上，结合依托点滑坡滑面轮廓的实际特征(随机性、多尺度性和自仿射性)，确定了科学表征岩质滑面粗糙度的方法：分形几何法。继而借助分形几何理论，对轮廓仪绘制的滑面试件轮廓进行了分形分析，揭示了岩质滑面的分形规律和特征，计算了滑面微观轮廓的分形维数，并确定了描述滑面轮廓粗糙度的分形函数：W-M函数，为滑面粗糙度轮廓数据的数理化提供了可靠手段，实现了对岩质滑面轮廓的连续性、不可散性和自仿射性反演构造，为下一步分析滑面的接触和摩擦提供了可靠的理论依据。2．从岩质滑面真实的微观接触状态和应力环境出发，研究了单微凸体及多微凸体滑面的接触变形机理。论文首先通过模型试验分析处于微观高应力状态下岩质微凸体的接触变形特征，得出处于不同接触程度下的滑面微凸体具有不同接触状态(完全弹性接触、塑性强化接触和完全塑性接触)的认识。继而通过总结前人有关颗粒接触变形理论，结合模型试验中微凸体的接触变形特征，在合理引入强(弱)化因子的前提下，建立了线性强化(软化)弹塑性接触模型，从而实现对滑面不同接触程度颗粒的全过程分析。最后通过对比分析三种常见多微凸体粗糙面的接触模型，确定了以W-M函数为基础的M-B分形接触模型在描述粗糙面接触变形机理上的合理性与不足，并以单微凸体的弹塑性强化(弱化)接触模型为基础，对其进行塑性强(弱)化修正，成功的解决了M-B模型缺乏材料弹塑性变形过程模型的问题，最终实现了对多微凸体岩质滑面法向接触变形机理的解析。3．基于已进行的滑面轮廓粗糙度的空间表征方法和微凸体的接触变形理论，研究滑面微观摩擦机理，解析了其微观启动过程和条件。首先论文在对比分析已有的现代摩擦理论基础上，针对Fujimoto微观位移特征模型存在的问题--"只适用较低或极高法向荷载作用下的完全弹性或完全塑性接触摩擦"进行符合岩质微粒接触的塑性强化(弱化)模型修正，得出岩质滑面微观颗粒间接触摩擦的切向位移理论，并分析了单微凸体的接触摩擦机理和力学条件。继而基于单个微凸体的弹塑性微观切向位移理论，借助基于M-B函数修正的弹塑性接触变形模型，论文解析了切向荷载下由多微凸体组成的岩质滑面的接触摩擦理论，阐明了接触摩擦来源，给出了计算接触摩擦的方法，为认识岩质滑坡的启动机理提供了具有定量特征的微观视角，丰富了岩质滑坡的启动理论。4．在总结前人研究成果的基础上，系统的研究和分析了岩质滑坡的启动过程的时空效应，并解析了各阶段的启动机理和条件。首先论文借助断裂力学、水力学、岩石力学等理论从时程上将岩质滑坡启动分解为裂缝扩展贯通、滑面形成，大块石凸体咬合剪断、跃滑失稳，平整摩擦等几个顺序过程。继而又借助已有关于滑面分形的多尺度特征理论，从空间角度分析了宏观、细观和微观尺度下滑面提供抗滑力的机理，实现了多尺度条件下摩擦机理的统一。5．借助有限元强大的分析能力，通过合理建模模拟了单微凸体的接触摩擦、多微凸体的接触摩擦问题，实现了岩质颗粒接触摩擦的直观表征，为阐明多微凸体滑面的接触摩擦机理、佐证已有理论分析以及发现新特征提供新的研究手段；基于依托点滑坡数据，在考虑地震荷载和滑面热效应的基础上，系统模拟了滑面微观启滑的条件和过程，实现了对岩质滑坡微观启动过程的仿真。 |
| 英文摘要 | 岩质滑坡是我国西部山区常见的一种地质灾害，它分布广泛，滑动速度快，突发性强，常造成严重的经济损失和人员伤亡。不同岩质坡体有不同的失稳条件和诱发因子，但从根本上讲，作用在滑面上的抗滑力和下滑力的相对关系才是其稳定性的最本质判据。由于滑面是个包含大量微凸体的粗糙面，且其抗滑能力取决于具有不同空间分布特征间微凸体的接触和摩擦，故解析岩质滑坡启动过程中滑面的微观力学机理对正确认识岩质滑坡形成和防治机理至关重要。为此，论文首先借助分形几何理论，在完成对滑面试件轮廓科学分析的基础上，实现了对岩质滑面粗糙度轮廓的表征和再生成。继而以弹塑性理论为基础，结合滑坡勘察资料和模型试验数据，修正了传统接触摩擦理论，建立了塑性强(弱)化颗粒的接触变形和剪切摩擦模型，探讨了微观高应力状态下岩质滑面的接触和摩擦机理，分析了其微观启动过程和条件，并从宏观上阐述岩质滑坡启动的时空过程，实现对岩质滑坡微观启动的仿真，为岩质滑坡灾害的预测和整治提供的理论依据。具体研究内容如下：1．对岩质滑面上微凸体的空间分布进行分形研究，建立滑面轮廓粗糙度表征的分形手段。论文首先在总结、对比分析前人有关粗糙面表征理论的基础上，结合依托点滑坡滑面轮廓的实际特征(随机性、多尺度性和自仿射性)，确定了科学表征岩质滑面粗糙度的方法：分形几何法。继而借助分形几何理论，对轮廓仪绘制的滑面试件轮廓进行了分形分析，揭示了岩质滑面的分形规律和特征，计算了滑面微观轮廓的分形维数，并确定了描述滑面轮廓粗糙度的分形函数：W-M函数，为滑面粗糙度轮廓数据的数理化提供了可靠手段，实现了对岩质滑面轮廓的连续性、不可散性和自仿射性反演构造，为下一步分析滑面的接触和摩擦提供了可靠的理论依据。2．从岩质滑面真实的微观接触状态和应力环境出发，研究了单微凸体及多微凸体滑面的接触变形机理。论文首先通过模型试验分析处于微观高应力状态下岩质微凸体的接触变形特征，得出处于不同接触程度下的滑面微凸体具有不同接触状态(完全弹性接触、塑性强化接触和完全塑性接触)的认识。继而通过总结前人有关颗粒接触变形理论，结合模型试验中微凸体的接触变形特征，在合理引入强(弱)化因子的前提下，建立了线性强化(软化)弹塑性接触模型，从而实现对滑面不同接触程度颗粒的全过程分析。最后通过对比分析三种常见多微凸体粗糙面的接触模型，确定了以W-M函数为基础的M-B分形接触模型在描述粗糙面接触变形机理上的合理性与不足，并以单微凸体的弹塑性强化(弱化)接触模型为基础，对其进行塑性强(弱)化修正，成功的解决了M-B模型缺乏材料弹塑性变形过程模型的问题，最终实现了对多微凸体岩质滑面法向接触变形机理的解析。3．基于已进行的滑面轮廓粗糙度的空间表征方法和微凸体的接触变形理论，研究滑面微观摩擦机理，解析了其微观启动过程和条件。首先论文在对比分析已有的现代摩擦理论基础上，针对Fujimoto微观位移特征模型存在的问题--"只适用较低或极高法向荷载作用下的完全弹性或完全塑性接触摩擦"进行符合岩质微粒接触的塑性强化(弱化)模型修正，得出岩质滑面微观颗粒间接触摩擦的切向位移理论，并分析了单微凸体的接触摩擦机理和力学条件。继而基于单个微凸体的弹塑性微观切向位移理论，借助基于M-B函数修正的弹塑性接触变形模型，论文解析了切向荷载下由多微凸体组成的岩质滑面的接触摩擦理论，阐明了接触摩擦来源，给出了计算接触摩擦的方法，为认识岩质滑坡的启动机理提供了具有定量特征的微观视角，丰富了岩质滑坡的启动理论。4．在总结前人研究成果的基础上，系统的研究和分析了岩质滑坡的启动过程的时空效应，并解析了各阶段的启动机理和条件。首先论文借助断裂力学、水力学、岩石力学等理论从时程上将岩质滑坡启动分解为裂缝扩展贯通、滑面形成，大块石凸体咬合剪断、跃滑失稳，平整摩擦等几个顺序过程。继而又借助已有关于滑面分形的多尺度特征理论，从空间角度分析了宏观、细观和微观尺度下滑面提供抗滑力的机理，实现了多尺度条件下摩擦机理的统一。5．借助有限元强大的分析能力，通过合理建模模拟了单微凸体的接触摩擦、多微凸体的接触摩擦问题，实现了岩质颗粒接触摩擦的直观表征，为阐明多微凸体滑面的接触摩擦机理、佐证已有理论分析以及发现新特征提供新的研究手段；基于依托点滑坡数据，在考虑地震荷载和滑面热效应的基础上，系统模拟了滑面微观启滑的条件和过程，实现了对岩质滑坡微观启动过程的仿真。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2013-02-22 |
| 源URL | [http://192.168.143.20:8080/handle/131551/4938]  |
| 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 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 吴永. 岩质滑坡启动的滑面微观力学机理[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2010. |
入库方式： OAI收割
来源：成都山地灾害与环境研究所
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