松散土體中細顆粒運移的微觀過程研究

摘要：自然界的松散土是泥石流、滑坡等災害發生的重要物質之一,其結構的松散性和長期降雨滲流作用為細顆粒發生運移、形成內部侵蝕提供了空間和動力條件,顆粒大量流失和孔隙通道堵塞造成土體結構變化和穩定性下降,從而演變為滑坡或坍塌。滲透、水槽和人工降雨等試驗方法對認識土體內部細顆粒運移的宏觀特征具有重要作用,但無法直接分析孔隙通道內細顆粒分布、位移等隨時間的變化特征。作者結合上海同步輻射光源3維CT技術,為獲得擬靜態下1維柱體滲流過程中細顆粒侵蝕形態特征,以不同粗細顆粒粒徑之比為變量設計微觀滲流試驗,通過耦合離散元與Darcy流體方程計算分析整體和局部區域內細顆粒數量和平均動能的變化特征。結果表明:離散元與Darcy流耦合是計算土體內部細顆粒運移的有效手段。CT掃描和數值計算結果均表明土樣入流口和出流口存在優先侵蝕現象。計算至2.5 s時,已分別有37.05%和31.95%細顆粒被侵蝕,其他位置侵蝕程度相對較低。在滲流方向上土體內部細顆粒存在流失補給平衡和逐漸侵蝕的現象,細顆粒的平均動能沿滲流方向總體呈逐漸增高的趨勢。長期性堵塞形成過程中,細顆粒的平均動能呈現隨時間逐漸降低的趨勢;臨時性堵塞區域內細顆粒數量的增加相對于此區域內細顆粒平均動能的增高存在滯后效應。微觀尺度上土體內部細顆粒運移特征主要受流體狀態和孔隙特征影響,其研究對于理解松散土坡體破壞機制具有重要價值。