高速远程滑坡裹气流态化机理实验研究

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为研究高速远程滑坡运动过程中碎屑流的裹气流态化减阻运动机理,以汶川地震过程中所触发的谢家店子滑坡为原型,基于现场调查和室内土力学实验成果,通过自行研制的流化床实验装置、三维复杂地形下碎屑流裹气流态化运动实验装置和圆环式旋转剪切实验装置,对高速远程滑坡裹气流态化减阻运动机理开展了一系列实验研究,主要有静态流化床实验、动态三维复杂地形下的裹气流态化运动实验、圆环式旋转剪切实验,获取了丰富的碎屑流静、动态流态化数据,探讨了在不同裹气(供风)条件下,碎屑流运动特征(运动速度、运动距离和运动形态)、堆积特征(堆积形态和堆积厚度)、动态剪切强度等的变化规律,揭示了高速远程滑坡-碎屑流在裹入气流作用下的流态化运动特征。基于物理模型实验研究,主要得到以下结论:(1)对滑坡类碎屑(颗粒粒径变化范围广(0.1-7 mm)、细颗粒含量高、颗粒形状极不规则),其堆积碎屑间表现出较强的咬合度,不规则颗粒间容易形成“架桥”现象,堆积碎屑整体稳定性较高。当供风量较低时,气流主要沿粗颗粒间空隙逸出,对试样的整体稳定性无明显影响;当供风量达到一定强度时,试样内部未能及时逸出的残存气流,开始在试样内部聚集,产生近水平状气泡,形成试样内部的局部高压区;因该类碎屑颗粒整体稳定性强,在试样进入流态化状态之前,随着供风量的继续增加,大量气流不能及时逸散,在试样底部形成高压气垫层,将试样整体性抬起,形成所谓的空气擎托现象。(2)由三维复杂地形下的碎屑流裹气流态化实验中可见,随着供风量的增加,碎屑流的运动距离和运动速度都有一定增加,表明碎屑流运动过程中底部气流的裹入,具有减阻作用,有利于碎屑流的远程运动;但由于碎屑流的高度离散化,该作用仅在有限区段存在。(3)在三维复杂地形下的碎屑流裹气流态化实验中,干碎屑流在运动过程中表现出明显的流体运动特性,受地形约束,可见弯道超高、爬坡堆积等流态化运动现象。在碎屑流的高速运动过程中,由于沟谷岸坡地形约束引起的碎屑流“分流-汇流”运动过程,可在碎屑流近沟谷岸坡侧形成纵向“沟-脊”相间的流态化堆积地貌;运动路径前缘开阔地形下碎屑流的无侧限跳跃式扩离运动,则可在运动路径上形成共轭“X”型堆积形态。(4)在三维复杂运动路径上,碎屑流的运动速度减小的极快,导致碎屑流发生快速堆积,碎屑流整体运动距离均较近,该现象表明运动路径上地形的阻挡对碎屑流的运动具有明显的耗能减速作用。碎屑流运动过程中所表现出来的这一现象进一步表明,在碎屑流的运动过程中,必定存在裹气或裹水等某些减阻机制,使其得以实现远程运动。(5)环剪实验成果表明:碎屑流运动过程中,底部气体的裹入,可起到明显的减阻作用。在供风条件下,环盖与试样间的动态剪应力值在120-200 Pa间变化,仅为无供风条件下试样与环盖间动态剪应力量值的一半。(6)在无供风条件和供风条件下,随着碎屑流运动速度的增加,碎屑流与运动路径间的摩阻力增加不明显,该现象表明,碎屑流运动速度的改变,对其与运动路径间摩阻力的影响不大。
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