西部山地城镇黄土滑坡灾变机理的物理力学试验与颗粒流数值仿真研究

Aiming at geological hazard of Loess landslides for mountain town in western China,we will research on distortion and failure process of loess landslides, as well as cataclysm mechanism. As example for landslides of GaoLan Mountain in LanZhou City,we will carry out triaxial shearing test and waterishlogged deformation test, then determine elementary mechanical parameters of landslides material.Incorporation with structural feature of loess,we will dicuss microscopical parameters such as granulometric strength,granulometric size,queued pattern,as well as compaction degree, which affect macroscopical mechanical response of landslides material.Introducing rising granular flow theory,we will present rational constitutive relation for structural loess,which unify microscopical construction and macroscopical response. By means of substantive numerical test, we will found inherence relationship between granular parameters in discrete element code with actual gain of landslides loess. For deformation, movement and failure process of landslides, we will carry out numerical modelling via particle flow code, then will reveal microscopical mechanism, which can provide science refference and technology support to life and property, as well as regional sustainable development.

本项目针对西部山地城镇黄土滑坡地质灾害频发的严峻形势，以黄土滑坡的变形破坏过程和致灾机理为研究对象，依托兰州市皋兰山滑坡群实例，进行典型黄土试样的三轴剪切试验和浸水变形试验，测定滑坡岩土体的基本物理力学参数；结合黄土的结构性特征，考虑岩土材料的宏观力学行为受到颗粒强度、颗粒尺寸、排列方式和密实度等细观参数的影响，引入新兴的颗粒物质力学理论，将黄土的细观结构与宏观力学行为相统一，建立结构性黄土的细观力学模型；通过数值试验建立结构性黄土的材料组构参数与离散元颗粒参数的内在关联，采用颗粒流程序开展黄土滑坡变形- - 破坏- - 运动全过程的数值仿真，揭示结构性黄土滑坡灾变的细观力学机理，为保障人民生命财产和区域可持续发展提供科学依据和理论支撑。

黄土滑坡灾害影响范围广，危害严重，突发性强，严重制约着西部黄土高原区域经济的发展，危害着山地城镇居民的生命财产安全，研究西部山地城镇黄土滑坡地质灾害是我国当前社会经济发展的迫切需求。黄土的结构可视为一个由单粒、集粒或凝块等骨架单元共同形成的空间结构体系，它的单元形态（单粒的矿物碎屑与集粒或凝块）确定了力的传递性能和土的变形性质，它的连接方式（点接触、面接触）确定了土的结构强度，它的排列方式（大孔隙、架空孔隙、粒间孔隙）确定了土的稳定性。黄土特有的颗粒物质体系组成和工程性质在黄土滑坡的发生、演变中起着重要作用。. 研究项目以当前国家防灾减灾的重大需求及探求重大工程地质灾害发生发展机理的关键科学问题为导向，依托甘肃省兰州市皋兰山大规模黄土滑坡群和甘肃省永靖县 黑方台提灌区黄土—基岩滑坡工程实例，通过工程地质调查分析黄土滑坡灾害的发育规律和破坏模式，进行饱和黄土的常规三轴剪切试验和扫描电镜实验测定滑坡滑带土的宏观物理力学参数和细观/微观孔隙结构参数。引入新兴的颗粒物质力学理论，根据黄土滑坡滑带土颗粒间力的传递特征，建立滑带土颗粒接触力学模型，通过对比物理模型实验和数值试验结果，分析离散单元接触模型的参数体系与滑带土实际宏观力学参数的关系，标定模拟滑带土力学行为的细观颗粒力学参数范围。将黄土的细观结构与宏观力学行为相结合，借助颗粒离散元程序通过数值仿真技术模拟黄土边坡的渐进破坏过程，揭示灾害环境下黄土滑坡灾害形成、演化与致灾过程的内在机理。结合甘肃省华池县以及巴谢河流域黄土滑坡地质灾害评价，运用ArcGIS强大的空间分析功能从地形地貌、地层岩性、植被覆盖及人类工程活动等方面探讨黄土滑坡的形成条件，绘制不同因子组合下的滑坡易发性指数图和滑坡风险性分区图。研究项目理论联系实际，可为西部山地城镇可持续发展提供科学依据和理论支撑。