泥石流孕育发生和发展的动力学模型与机理研究

介质复杂性和流动与底床强耦合是泥石流问题的显著特征，也是深入认识泥石流过程的关键科学问题，迄今仍缺乏对这一问题的深入认识。本项目重点研究了泥石流形成的力学机制和运动规律这一关键问题，在土石水混合介质的力学特性、泥石流发生的力学机制、以及泥石流动力学模型及运动演化规律等方面取得了创新性的研究成果，对泥石流复杂流动新理论的发展和泥石流灾害的预测和评估等具有重要意义。1.提出了从细观力学描述土石水混合介质力学特性的新理念，建立了描述这类复杂介质从固态到流态本构/流变关系的力学理论和数值模型；研究了混合物固体、固-液转化及流体不同相态的力学特性，给出了含水土体新的强度准则及软化规律，发现了泥石流流变分层的特点，发展了包含颗粒两种主要作用方式的本构模型，首次给出了颗粒物质固液转化的临界态及本构关系。2.建立了从地质体临界破坏、运动到流动各阶段的力学模型，实现了泥石流从形成到运动演化灾害链的数值模拟；研究了泥石流从孕育、发生及发展各过程的规律特点和力学过程；提出了颗粒物质破坏运动过程中的 “流变元”概念和流变率模型；揭示了滑坡转泥石流，以及山洪转泥石流的内在力学机制。3.基于泥石流流变本构关系与运动状态相关的认识，建立了基于拟单相流的水沙床耦合泥石流运动模型、包含颗粒两种相态本构的三维泥石流两相流模型，以及目前最为完善的基于垂向积分的泥石流两相流模型，得到了实际泥石流事件的良好验证；发展了可方便用于工程应用的泥石流灾害数值模拟软件。4.研究了泥石流运动的基本规律和特征，揭示了泥石流运动自增强、颗粒分选、能量转化等内在机制，提出了相间及颗粒间能量转化（做功）决定泥石流输运效率的新观点，有效地解决和回答了泥石流输运效率随初始体积增大而显著提高这一长期困扰人们的难题。5.发表了学术论文81篇，其中SCI收录论文33篇，EI收录论文12篇。国内外学术会议大会邀请报告9人次。 2100433B

泥石流的介质复杂性和水沙石以及流动与底床的强耦合是泥石流问题的显著特征，也是深入认识和科学预测泥石流成灾过程的关键科学问题。迄今仍缺乏对这一问题的深入力学研究，致使对泥石流的认识远不成熟。为此，本项目将针对泥石流的形成机制和运动规律这一关键问题，以土石水混合介质力学特性为切入点，采用力学理论和方法, 发展水沙混合介质强度和流变等力学特性的理论，探讨水-颗粒以及流动-底床之间的耦合作用机制，建立水渗流与土石混合体耦合作用模型和泥石流运动耦合模型；揭示泥石流孕育、发生的多因素综合作用和多过程耦合机理，提出泥石流发生的临界动力条件和诊断方法，实现对泥石流运动与底床冲淤变化的强耦合数值模拟，增强对泥石流发生、演变和发展规律的理解。为提高对泥石流灾害的定量预测能力提供科学理论和方法。同时，进一步深化对复杂介质和多过程耦合问题的认识，丰富和发展环境力学这门新兴交叉学科的内容、方法和理论。

强夯在砂土中的加固机理及其动力学机理的研究一直是土力学及基础工程中一个重要的课题。迄今为止，世界各国的研究者做了一定的现场及室内实验来研究强夯在砂土中特别是干砂中的夯实效果及相关影响参数。然而，对强夯在饱和砂土中加固机理及其动力学模型的研究依然缺乏，因此对强夯过程中夯锤与土体相互作用原理、土颗粒之间相互作用机理等的了解非常有限，从而导致强夯设计的不确定性。本课题拟在申请者相关研究的基础上，应用室内模型实验及数值模拟方法继续对强夯在饱和砂土中的加固机理和动力学模型进行系统全面的研究。研究内容主要包括建立实验模型、研究并掌握强夯加固机理、建立强夯动力学模型、创建可靠的强夯加固效果预测模型、进行有效的数值模拟与分析等。本研究成果可以针对不同强夯情况下夯实效果进行有效的定量化分析并进行相关质量保证和控制（QA/QC），从而达到优化强夯设计理论、保证工程质量、减少工程造价、降低工程风险的目的。

在国家自然科学基金青年基金项目（批 准 号：50908172）的支持下，项目申请人及研究团队通过模型试验、现场强夯试验及有限元数值模拟分析，对饱和砂土的强夯加固机理及动力力学模型进行了系统深入的研究。研究了夯击能量、夯锤的大小、夯击点的布置和间距、夯击顺序、地下水位的位置等因素对地面的加速度情况、地基中应力应变发展情况、地基内孔隙水压力分布、土体工程物理性质的影响。根据试验结果建立了经实测数据验证的数值模拟模型，得出饱和砂土中优化强夯施工方法并建立了可用于有限元数值模拟分析的夯击动力学模型。在室内模型试验结果、现场实测数据、及离散-连续耦合数值方法的结果的基础上，分析了夯击过程中砂土颗粒迁徙路径及颗粒之间的相互作用情况，深入把握了强夯夯击对饱和砂土的加固机理。此外，进行了两组隔振试验及相应的数值模拟分析，初步探索了各种波屏蔽措施对降低强夯冲击引起的振动影响的有效性。相关研究成果已经发表在《ASCE Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering》、《Canadian Geotechnical Journal》、《ASCE Journal Performance of Constructed Facilities》、《Environmental Earth Sciences》、《Journal of Vibration and Control》等岩土工程专业领域国际权威学术期刊上面（SCI检索学术期刊论文7篇），达到了项目的预期研究目标。 2100433B

1950～1970年间我国采用冶金用75硅铁作孕育剂使用。这种硅铁中对孕育起重要作用的Ca、Al没有限定含量范围，其孕育效果不稳定。70年代沈阳铸造研究所等单位开发出硅钡、硅锶孕育剂，以后各单位又相继开发或引进了含稀土孕育剂、碳硅孕育剂、稳定化孕育剂等。

十年的实践表明，我国的孕育剂系列可以满足铸铁件生产发展的需求。效果明显优于冶金硅铁。硅铁孕育剂的用量占铸铁孕育剂总量的80%以上。但是，相当多的中小铸造厂和质量要求不高的铸件采用冶金用硅铁作为孕育剂使用，其效果不稳定。销售量居于第二位的是含钡硅铁孕育剂，再次是含锶硅铁孕育剂。碳硅孕育剂(包括从Foseco引进的Inoculin10)、含稀土孕育剂、含铋硅铁孕育剂的用量也有明显增长。这些新型孕育剂在高级铸铁件的生产中起了重要作用，例如薄壁耐水压灰铸铁件发动机缸体件、薄壁或厚大球墨铸铁件等。孕育剂的发展对提高铸铁件质量起了重要作用。最近几年电炉或冲天炉-电炉双联熔化逐步增多，还需要含锆硅铁、含钛硅铁孕育剂但这两种孕育剂用量不大，今后需求可望增加。