基于复杂网络的粘性土颗粒堆积体失稳问题的分析

论文摘要

颗粒材料是复杂的无序堆积的颗粒填充系统。颗粒填充系统及相关问题常常出现在工程地质灾害、化学化工工程、环境工程、岩土工程和交通运输等各个领域。这些自然科学以及工程问题的解决与否,取决于人们对颗粒材料基本力学性质的认知程度。粘性颗粒堆积体是我们日常生活中最常见同时又十分重要的一类颗粒物质,颗粒材料往往会由于静电力、水分子、粘结胶体等各种因素,使颗粒之间发生黏聚现象。所以在自然界完全没有粘结力的干颗粒材料基本上是不存在的。如自然界中的砂石堆积体中常常会有水分子的存在,使其具有粘结效应;粘性土材料由于其本身就是一种粘结胶体,所以它堆积形成的边坡也会出现粘结的现象。在人们对寻求解决粘性颗粒填充系统的相关问题的解决方法的时候,研究人员对粘性颗粒物质进行了大量的理论和实验研究,因为其性质的复杂性,尽管已经有了不少研究成果以及工程上问题的解决,但是迄今为止并没有哪一种力学理论或分析方法可以完全的概括粘性颗粒材料的复杂性质并解决粘性颗粒填充系统相关的工程问题。目前,国内外学者利用块体离散元和颗粒离散元法对岩体及边坡稳定性问题进行了大量的研究,并取得了一定的研究成果。随着研究的进行,其研究内容和进程出现了瓶颈,关于土颗粒堆积体的研究往往只局限于颗粒堆积体坍塌和边坡失稳的宏观参数的研究中,而其内部结构是如何影响宏观动态响应的却鲜有研究对其进行分析和探讨。复杂网络理论作为21世纪新兴的数学分析工具,复杂网络工具在分析复杂结构宏观响应的内在原因具有强大的功效。在颗粒材料研究领域,现阶段复杂网络的分析方法仅用于分析密实颗粒填充体试样压缩过程,而从复杂网络视角对湿土颗粒堆积体坍塌或失稳过程中接触力网络的演化分析的研究还较少。本文采用颗粒离散元方法对粘性颗粒堆积体进行建模计算,并引入复杂网络理论对粘性颗粒堆积体的宏观动态响应进行分析和研究,尝试用网络参数的演化规律来描述堆积体坍塌或失稳过程,利用网络参数对坍塌或失稳进行预测。本研究的主要工作有:1、本文首先应用颗粒离散元软件EDEM构建了自然堆积状态下湿卵石颗粒堆积体以及岩质边坡的离散元模型,模拟其在自重作用和外荷载作用的坍塌和失稳过程。得到粘性颗粒堆积体的宏观响应,分析其宏观物理参数的变化规律。2、我们对自重作用下的湿卵石颗粒堆积体与外荷载作用下的岩质边坡土颗粒力链动态拓扑特性分别进行了计算和分析,将粘性颗粒的颗粒中心看作接触力链网络的节点、两两接触并存在正向接触力的两个颗粒的连线视为网络的边,以此来构建粘性颗粒堆积体接触力链网络的复杂网络模型。对于所构建的复杂网络,本文使用pajek接触力链网络中的三个重要参数进行了计算:度、聚类系数和平均最短路径。通过分析这些网络参数在粘性颗粒堆积体坍塌或失稳过程中的演化规律,来表征颗粒内部的接触力链网络拓扑结构。3、然而,仅仅是分析颗粒系统的介观结构和网络参数是远远不够的,将颗粒堆积体的宏观响应和颗粒系统的介观结构和网络参数联系在一起。用介观结构的网络参数来描述颗粒堆积系统在自重下和外荷载作用下的动态响应。用力链拓扑结构的拓扑参数量化和表征粘性颗粒堆积体破坏和坍塌过程。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 研究进展
•     1.2.1 颗粒堆积体的研究进展
•     1.2.2 复杂网络的研究进展
•     1.2.3 复杂网络在颗粒填充场拓扑结构领域的进展
•   1.3 本文主要研究目的和内容
• 第2章 离散元与复杂网络理论
•   2.1 离散单元理论
•     2.1.1 颗粒模型
•   2.2 复杂网络理论
•     2.2.1 图论的基本理论
•     2.2.2 复杂网络模型
•     2.2.3 复杂网络的基本几何特性参数
•   2.3 本章小结
• 第3章 基于复杂网络的湿颗粒堆积体流态转变特性分析
•   3.1 引言
•   3.2 EDEM软件介绍和应用
•     3.2.1 EDEM简介
•     3.2.2 EDEM的接触模型
•   3.3 颗粒离散元数值模拟
•   3.4 颗粒复杂网络的拓扑特性
•   3.5 基于复杂网络的湿颗粒堆积体流态转变特性分析
•   3.6 小结
• 第4章 基于复杂网络岩质边坡失稳的动态响应分析
•   4.1 引言
•   4.2 模型建立和模拟计算
•   4.3 基于复杂网络边坡失稳分析
•   4.4 小结
• 第5章 结论与展望
•   5.1 结论
•   5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间取得的成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 谢纯凯

导师: 游世辉

关键词: 粘性土颗粒,复杂网络,力链,离散元,数值模拟

来源: 湘潭大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 湘潭大学

分类号: TU43

DOI: 10.27426/d.cnki.gxtdu.2019.001200

总页数: 61

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