CN111753440B - 一种高位滑坡冲击铲刮变量的获取方法 - Google Patents

一种高位滑坡冲击铲刮变量的获取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高位滑坡冲击铲刮变量的获取方法，首先在高位滑坡冲击铲刮层时，将冲击力分为竖向冲击力和切向冲击力，采用Hertz弹性接触理论获得竖向冲击力，采用基底摩擦阻力理论获得切向冲击力；采用莫尔库仑剪切破坏屈服准则获得铲刮层的被动屈服；根据塑性区极限应力的分布位置得出最大滑裂线位置，划分塑性范围；根据上述获得的滑体冲击铲刮层后的动态变化，获得滑坡冲击铲刮模式。上述方法能有效获取高位滑坡冲击中的各种铲刮变量，并解决动力后效应问题。

Description

一种高位滑坡冲击铲刮变量的获取方法
技术领域
本发明涉及滑坡冲击铲刮研究技术领域，尤其涉及一种高位滑坡冲击铲刮变量的获取方法。
背景技术
目前，国内外许多研究者对滑坡灾害的动力侵蚀相关领域开展了一定研究，为揭示滑坡的动力致灾机理奠定了基础。事实上，不同类型的滑坡动力侵蚀的作用方式也有所不同，进一步细分可分为两种：一种为流化滑坡(泥石流)的裹挟侵蚀，另一种为固相态滑坡的冲击铲刮。目前大量的研究成果聚焦于泥石流运动过程中的侵蚀裹挟效应研究，并且大多数是采用基于经验的侵蚀率方法进行评估，更多是依靠人为的定性评估。然而对于滑坡、崩塌等固相体冲击作用下的铲刮理论研究尚有不足，这种冲击、撞击作用不仅会使原有滑体速度改变、体积增加、粉碎化，甚至可能会铲动周边斜坡形成次级滑坡，会直接导致高位滑坡的滑体体积、运动距离和堆积特征发生改变，影响着滑坡危险区域预测预判的精准度，使得滑坡发生规模放大，灾害救援难度增加，然而这个动力作用的规律和机理特性却不为人们所熟知。
针对滑坡冲击铲刮的分析方法主要有：一种为流化滑坡(泥石流)的侵蚀率算法，该方法建立时间和铲刮体积的关系式，人为设定铲刮率和铲刮区域，通过体积的增加量和固定的底面积值来反演计算铲刮深度，但该方法大多基于人为经验，力学机理和计算精度较为欠缺；另一种为基于农业机械学犁耕阻力的犁切算法，该方法人为设定犁切形状和铲刮几何形态，再根据极限平衡法进行计算，但该方法缺少相应的铲刮模式和动力学基础，对速度和时间的考虑较为欠缺。
发明内容
本发明的目的是提供一种高位滑坡冲击铲刮变量的获取方法，该方法能有效获取高位滑坡冲击中的各种铲刮变量，并解决动力后效应问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种高位滑坡冲击铲刮变量的获取方法，所述方法包括：
步骤1、在高位滑坡冲击铲刮层时，将冲击力分为竖向冲击力和切向冲击力，采用Hertz弹性接触理论获得竖向冲击力，采用基底摩擦阻力理论获得切向冲击力；
步骤2、采用莫尔库仑剪切破坏屈服准则获得铲刮层的被动屈服；
步骤3、根据塑性区极限应力的分布位置得出最大滑裂线位置，划分塑性范围；
步骤4、根据步骤1-3获得的滑体冲击铲刮层后的动态变化，获得滑坡冲击铲刮模式。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法能有效获取高位滑坡冲击中的各种铲刮变量，并解决动力后效应问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的高位滑坡冲击铲刮变量的获取方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的高位滑坡冲击铲刮变量的获取方法流程示意图，所述方法包括：
步骤1、在高位滑坡冲击铲刮层时，将冲击力分为竖向冲击力和切向冲击力，采用Hertz弹性接触理论获得竖向冲击力，采用基底摩擦阻力理论获得切向冲击力；
在该步骤中，在高位滑坡冲击铲刮层时，冲击铲刮的接触也根据滑体的运动分为了两个阶段：第一阶段是以滑体前缘的冲击为主，滑体同可铲刮层接触后竖向荷载大于切向荷载；第二阶段是以滑体底部的剪切为主，竖向荷载主要是滑体自重提供，切向荷载大于竖向荷载。
将冲击力分为竖向冲击力和切向冲击力，首先采用Hertz弹性接触理论获得竖向冲击力，具体过程为：
接触压力与变形之间的关系为：
Figure BDA0002576667700000031
式中，E为等效弹性模量，且
Figure BDA0002576667700000032
E1为撞击体的弹性模量，E2为铲刮层(被撞击体)的弹性模量；R为等效球体半径，且
Figure BDA0002576667700000033
R1为撞击体半径，R2为铲刮层(被撞击体)半径，若铲刮层为地面，则半径为无限大，等效半径大小为撞击体半径的大小；δn为接触变形量；ν为等效泊松比，ν1为撞击体的泊松比；ν2为铲刮层(被撞击体)的泊松比；
接触压力P与接触半径之间的关系为：
Figure BDA0002576667700000034
式中，a为接触半径；r为接触半径变量，取值为0-a；P(r)为随接触半径r变化的接触压应力，当r＝0时为最大接触压应力；
所述接触半径a与接触深度δn之间的关系为：
a2＝Rδn
式中，R为等效球体半径，根据牛顿第二定律
Figure BDA0002576667700000035
v2为滑体竖向速度，通常用vn表示；v1为铲刮层竖向速度，视为不动体，即为0；根据牛顿第二定律得到的速度、接触变形量与时间的公式：
Figure BDA0002576667700000036
达到最大压缩量时，
Figure BDA0002576667700000037
得最大接触深度为：
Figure BDA0002576667700000038
式中，m为等效质量，且有
Figure BDA0002576667700000039
m1为撞击体质量，m2为铲刮层(被撞击体)质量，若铲刮层为地面，地面质量无穷大，则等效质量m即为接触的滑体质量；
为了简化计算竖向冲击力可用最大接触应力进行分析，最大竖向冲击力表示为：
Figure BDA0002576667700000041
式中，E为等效弹性模量，R为等效半径，m为等效质量，vn为撞击体竖向速度。
另外，所述采用基底摩擦阻力理论获得切向冲击力的过程具体为：
对于基底摩擦阻力模型，根据竖向荷载得到基底切向阻力，阻力模型为同摩擦系数相关的摩擦模型。切向冲击力的计算需用到正压力值，正压力值为竖向Hertz接触压应力，表示为：
Pt＝μPn
式中，Pt为正应力，μ为孔隙水压力，Pt为切应力。
步骤2、采用莫尔库仑剪切破坏屈服准则获得铲刮层的被动屈服；
在该步骤中，采用抗剪强度q与平均应力p之间为直线关系的屈服准则，具体为莫尔库仑剪切破坏屈服准则来获得铲刮层的被动屈服，具体为：
所述莫尔库仑剪切破坏屈服准则是描述剪切面上剪应力τ与该面上正应力σ间关系，在某个平面上τ-σ的最容易破坏的组合，公式为：
Figure BDA0002576667700000042
式中，C为粘聚力；
Figure BDA0002576667700000043
为内摩擦角；
用应力不变量表示为：
Figure BDA0002576667700000044
式中，θ为应力洛德角，即为
Figure BDA0002576667700000045
I1为第一应力不变量，为应力状态三个法向应力之和，即I1＝σx+σy+σz；J2为第二偏应力不变量，具体为：
Figure BDA0002576667700000046
步骤3、根据塑性区极限应力的分布位置得出最大滑裂线位置，划分塑性范围；
在该步骤中，具体是根据地表撞击荷载应力P求得铲刮层中半无限空间中任意点M点处的附加应力状态；
再求得该点处的主应力，根据莫尔库仑剪切破坏屈服准则作为塑性临界范围的判定条件，将大小主应力代入到极限平衡条件中，得出塑性区的轨迹方程，划分塑性范围，具体过程为：
1)竖向荷载导致M点的应力状态，根据弹性力学中Boussinesq解，求得M点附加应力状态如下：
Figure BDA0002576667700000051
Figure BDA0002576667700000052
Figure BDA0002576667700000053
上式中，m＝x/2a，n＝z/2a；Pn为地面受到的竖向荷载应力大小；x为M点横坐标大小；z为M点纵坐标大小；2a为受到竖向荷载宽度；
2)切向荷载导致M点的应力状态，根据弹性力学中Cerruti解，求得M点附加应力状态如下：
Figure BDA0002576667700000054
Figure BDA0002576667700000055
Figure BDA0002576667700000056
上式中，m＝x/2a，n＝z/2a；Pt为地面受到的切向荷载应力大小；x为M点横坐标大小；z为M点纵坐标大小；2a为受到切向荷载宽度；
3)塑性区轨迹方程计算：
竖向和切向共同导致的M点的附加应力状态为：
σz＝σz，n+σz，t
σx＝σx，n+σx，t
τxz＝τxz，n+τxz，t
M点附加大小主应力计算公式为：
Figure BDA0002576667700000057
Figure BDA0002576667700000061
假设土层原有自重应力场的侧向土压力系数为K0＝1，具有静水压力性质，不改变附加应力场的大小主应力大小和方向，M点大小主应力计算公式为：
σ1＝σ′1+γz
σ3＝σ′3+γz
MC莫尔库仑准则的极限平衡条件为：
Figure BDA0002576667700000062
再根据求得大小主应力σ1、σ3，代入到上述极限平衡条件中求解，得到塑性区的轨迹方程，划分塑性范围。
并根据竖向和切向荷载的大小关系，塑性滑移线可以分为表层滑动面和深层滑动面，即竖向冲击为主的铲刮为深层滑移线，切向裹挟为主的铲刮为浅层滑移线。
步骤4、根据步骤1-3获得的滑体冲击铲刮层后的动态变化，获得滑坡冲击铲刮模式。
在该步骤中，所述滑坡冲击铲刮模式包括嵌入铲起模式、裹挟刮带模式、平推滑移模式和冲击飞溅模式，具体来说：
1)嵌入铲起模式：滑坡下滑冲击软弱下垫层，滑体具有较大冲击力，两者初始接触状态为滑体前缘嵌入进下垫层中，塑性区以竖向发展为主，滑坡运动距离相对较近，大多数在撞击点位置处堆积；
2)裹挟刮带模式：该模式最为常见，滑体具有较大切向剪切力，滑体易对下垫层材料进行剪切运动，塑性区以切向发展为主，并刮带走大量底部被屈服破坏的材料，并汇入到运动的滑体中，使滑坡规模和运动距离放大；
3)平推滑移模式：该种类型下垫层岩土材料一般为泥页岩等性质较差的层状岩土体，且前部临空或阻挡较差，滑体下滑冲击后先是导致下垫层破坏，并平推下垫层整体向前运动；
4)冲击飞溅模式：该种类型下垫层材料一般为较为坚硬，同时滑体材料的完整性相对较好，滑体高位启动具有较大动能，下滑接触后经过能量传递，产生巨大的冲击能量，导致被撞击体松散解体后飞溅形成远距离运动。
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种高位滑坡冲击铲刮变量的获取方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、在高位滑坡冲击铲刮层时，将冲击力分为竖向冲击力和切向冲击力，采用Hertz弹性接触理论获得竖向冲击力，采用基底摩擦阻力理论获得切向冲击力；
步骤2、采用莫尔库仑剪切破坏屈服准则获得铲刮层的被动屈服；
步骤3、根据塑性区极限应力的分布位置得出最大滑裂线位置，划分塑性范围；
步骤4、根据步骤1-3获得的滑体冲击铲刮层后的动态变化，获得滑坡冲击铲刮模式。
2.根据权利要求1所述高位滑坡冲击铲刮变量的获取方法，其特征在于，在步骤1中，所述采用Hertz弹性接触理论获得竖向冲击力的过程为：
接触压力与变形之间的关系为：
Figure FDA0002904339410000011
式中，E为等效弹性模量，且
Figure FDA0002904339410000012
E1为撞击体的弹性模量，E2为铲刮层的弹性模量；R为等效球体半径，且
Figure FDA0002904339410000013
R1为撞击体半径，R2为铲刮层半径，若铲刮层为地面，则半径为无限大，等效半径大小为撞击体半径的大小；δn为接触变形量；ν为等效泊松比，ν1为撞击体的泊松比；ν2为铲刮层的泊松比；
接触压力P与接触半径之间的关系为：
Figure FDA0002904339410000014
式中，a为最大接触半径；r为接触半径变量；P(r)为随接触半径r变化的接触压力；
所述接触半径a与接触深度δn之间的关系为：
a2＝Rδn
式中，R为等效球体半径，根据牛顿第二定律
Figure FDA0002904339410000015
v2为滑体竖向速度，通常用vn表示；v1为铲刮层竖向速度，视为不动体，即为0；根据牛顿第二定律得到的速度、接触变形量与时间的公式：
Figure FDA0002904339410000016
达到最大压缩量时，
Figure FDA0002904339410000021
得最大接触深度为：
Figure FDA0002904339410000022
式中，m为等效质量，且有
Figure FDA0002904339410000023
m1为撞击体质量，m2为铲刮层质量，若铲刮层为地面，地面质量无穷大，则等效质量m即为接触的滑体质量；
为了简化计算竖向冲击力用最大接触应力进行分析，最大竖向冲击力表示为：
Figure FDA0002904339410000024
式中，E为等效弹性模量；R为等效半径；m为等效质量；vn为撞击体竖向速度。
3.根据权利要求1所述高位滑坡冲击铲刮变量的获取方法，其特征在于，在步骤1中，所述采用基底摩擦阻力理论获得切向冲击力的过程具体为：
所述切向冲击力的获取需用到正压力值，正压力值为竖向Hertz接触压应力，表示为：
Pt＝μPn
式中，Pt为正应力；μ为孔隙水压力；Pt为切应力。
4.根据权利要求1所述高位滑坡冲击铲刮变量的获取方法，其特征在于，在步骤2中，采用抗剪强度q与平均应力p之间为直线关系的屈服准则，具体为莫尔库仑剪切破坏屈服准则来获得铲刮层的被动屈服，具体为：
所述莫尔库仑剪切破坏屈服准则是描述剪切面上剪应力τ与该面上正应力σ间关系，在某个平面上τ-σ的最容易破坏的组合，公式为：
Figure FDA0002904339410000025
式中，C为粘聚力；
Figure FDA0002904339410000026
为内摩擦角；
用应力不变量表示为：
Figure FDA0002904339410000027
式中，θ为应力洛德角，即为
Figure FDA0002904339410000028
I1为第一应力不变量，为应力状态三个法向应力之和，即I1＝σx+σy+σz；J2为第二偏应力不变量，具体为：
Figure FDA0002904339410000029
σ1为最大主应力，σ2为中主应力，σ3为最小主应力。
5.根据权利要求1所述高位滑坡冲击铲刮变量的获取方法，其特征在于，所述步骤3的过程具体为：
根据地表撞击荷载应力P求得铲刮层中半无限空间中任意点M点处的附加应力状态；
再求得该点处的主应力，根据莫尔库仑剪切破坏屈服准则作为塑性临界范围的判定条件，将大小主应力代入到极限平衡条件中，得出塑性区的轨迹方程，划分塑性范围。
6.根据权利要求1所述高位滑坡冲击铲刮变量的获取方法，其特征在于，在步骤4中，所述滑坡冲击铲刮模式包括嵌入铲起模式、裹挟刮带模式、平推滑移模式和冲击飞溅模式。
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