孫新坡，何思明，于憶驊

(1.西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041)

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基于離散元法崩塌體動力破碎分析

孫新坡1，何思明2，于憶驊1

(1.西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041)

摘要：在汶川大地震的影響下，西南地區(qū)山體破壞嚴(yán)重.巖質(zhì)邊坡幾乎全部出現(xiàn)破壞，崩塌十分嚴(yán)重，產(chǎn)生了大量的崩塌體，堆積于洞口或緩坡地帶；且上方陡坡殘留大量震裂巖體，在余震和多雨、多風(fēng)的天氣下易產(chǎn)生崩塌，對公路產(chǎn)生威脅.采用離散元法對崩塌體模擬，通過對不同粘結(jié)強度的崩塌體動力破碎的影響進行的數(shù)值模擬研究.結(jié)果顯示：崩塌體的粘結(jié)強度可以由離散元的平行鍵強度來模擬，不同粘結(jié)強度對崩塌體的運動和堆積形態(tài)有重要影響，再現(xiàn)了崩塌體破碎動力演化過程.為崩塌體破碎和防御提供理論依據(jù).

關(guān)鍵詞：崩塌；離散元方法；PFC；破碎

國內(nèi)西南地區(qū)滑坡崩塌災(zāi)害非常嚴(yán)重，并具有突發(fā)性，給公路沿線交通重大生命傷害和財產(chǎn)損失.巖崩災(zāi)害運動過程中不斷破碎，研究崩塌的動力破碎機理具有很重要的現(xiàn)實意義，國外方面，多年來大量學(xué)者[1-6]對崩塌災(zāi)害破碎方面進行了研究.何思明等[7]分析了強震荷載下裂縫巖體拉剪破壞機理.裴向軍等[8]，運用非連續(xù)變形數(shù)值分析(DDA)方法，對危巖體在強震作用下的失穩(wěn)模式、破壞規(guī)模、運動軌跡及對橋墩沖擊的動力響應(yīng)進行模擬研究.裴向軍等[9]以汶川地震未擾動現(xiàn)場滾石痕跡的判識、測量取樣及分析，得出強震作用下塊體(石)是以一定初始速度拋射而出的；其坡面運動表現(xiàn)為滑動、滾動、跳躍與3種方式的組合.楊偉等[10]針對順層滑坡的特點，采用ARCGIS集成的VBA開發(fā)環(huán)境，提出了一種三維折線法分析邊坡的穩(wěn)定性.

筆者以龍洞子出口危巖體為研究對象，在詳細(xì)地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，運用離散元法對崩塌體動力運動和破碎過程進行模擬預(yù)測，為崩塌防治設(shè)計提供理論和技術(shù)支持.

1數(shù)值模型及參數(shù)確定

1.1問題描述

龍門山地區(qū)位于青藏高原東部邊緣與揚子地臺西部邊緣的接合部.由3條斷裂帶構(gòu)成，構(gòu)造非常復(fù)雜.發(fā)生過多次七級以上的地震.地質(zhì)環(huán)境是脆弱，巖體破碎；在氣候上，夏季局部降雨非常集中.

2008年5月12日映秀發(fā)生了8.0級大地震，震中位于映秀的龍門山中央斷裂帶，隧道位于震中附近(圖1)，且隧道出口仰坡地段為抗震不利地段.在汶川大地震的影響下，龍洞子隧道出口仰坡破壞嚴(yán)重(圖2).巖質(zhì)邊坡幾乎全部出現(xiàn)破壞，崩塌十分嚴(yán)重，產(chǎn)生了大量的崩塌體，堆積于洞口或緩坡地帶；且上方陡坡殘留大量震裂巖體，在余震和多雨、多風(fēng)的天氣下易產(chǎn)生崩塌，對公路產(chǎn)生威脅.

圖1　龍洞子隧洞位置Fig.1　The location of Longdongzi tunnel

距洞口內(nèi)側(cè)80 m處裸露的石灰?guī)r陡崖、陡坡靠近白巖山背斜軸，巖層近直立至局部倒轉(zhuǎn)，巖體節(jié)理發(fā)育，加之該地段處于當(dāng)?shù)厥腋G廠開挖石灰?guī)r礦放炮崩落帶，巖體表層松動，卸荷裂隙發(fā)育，已形成一寬60 m，高約90 m的崩塌危崖段.陡坡中部并見長度大于20 m，寬達0.5 m的大裂縫.崩塌段平時亦有飛石落下，逢暴風(fēng)雨時崩塌更加劇烈.圖3為龍洞子隧道出口處崩塌橫截面圖，見圖2直線標(biāo)示.

圖2　龍洞子隧洞出口崩塌Fig.2　The landslide occurring around the exit of Longdongzi tunnel

圖3　龍洞子隧洞出口崩塌剖面圖Fig.3　The section diagram of landslide located in Longdongzii tunnel exit

1.2模型概況

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和實地勘測，龍洞子隧洞計算初始構(gòu)型如圖4所示，其中模型相對高差680 m，水平距離為166 m.

在數(shù)值模型中：崩塌體由顆粒模擬，坡面由剛性墻模擬，如圖4所示.崩塌體通過顆粒體模擬，在整個變形區(qū)域內(nèi)隨機生成由粒子質(zhì)量構(gòu)成崩塌體，滑動面用“墻單元”模擬.崩塌體體積為133 m3，總顆粒數(shù)為180 個.采用顆粒半徑范圍從0.28 m到0.56 m，服從高斯分布.崩塌體與坡面的接觸是球體與剛性面接觸，微觀為線性接觸，宏觀可以表現(xiàn)非線性.假設(shè)崩塌體與坡體底部有個破裂面.崩塌體與坡面之間有法向接觸力和切向摩擦力，無粘結(jié)力.

1.3參數(shù)選取

在離散元法中，微觀參數(shù)與平時常見的宏觀參數(shù)沒有直接對應(yīng)關(guān)系.必須進行雙軸或者三軸試驗數(shù)值試驗或者其他數(shù)值試驗進行校核來確定微觀參數(shù)，如表1所示.

1～7—編號的監(jiān)測球圖4　龍洞子崩塌數(shù)值模型Fig.4　Numerical model of Longdongzi collapse

顆粒法向剛度/MPa100平行鍵切向強度/GPa48.0,16.0,5.3顆粒切向剛度/MPa25坡底摩擦系數(shù)0.15坡底法向強度/MPa107顆粒最小半徑/m0.28坡底切向強度/MPa107顆粒最大半徑/m2.00平行鍵法向強度/GPa48,16,5.3顆粒間摩擦系數(shù)0.50

1.4地震波輸入

在模型中施加了一個水平向的地震波，施加位置為整個坡體底部，時間為20 s，如圖5所示.

圖5　地震動加速度時程Fig.5　The ground motion acceleration time history

2結(jié)果分析

圖6是崩塌體在重力作用下逐漸破壞的全過程.崩塌體外圍顆粒由于不受約束，在邊坡上運動，碰撞，有些直接越過攔石墻，最后到達路面上.更多的碎屑體在攔石墻前堆積，顆粒面抬升，最后達到攔石墻高，且有些顆粒越過攔石墻，堆積到路面上.

圖6　粘結(jié)強度對崩塌運動堆積形態(tài)的影響Fig.6　The influence of bond strength to accumulation of the collapse movement

2.1不同粘結(jié)強度的崩塌演化

粘結(jié)強度對崩塌體崩塌滑動有明顯的影響.圖6顯示結(jié)果不同粘結(jié)強度的崩塌體的崩塌滑動.這些模型為三種粘結(jié)強度分別為強、弱和中等.

在“強粘結(jié)強度模型”，其主體質(zhì)量行為大致顆粒作為剛性塊向下滑動和跨越洞口堆積到公路上，大部分的滑塊到達公路之前不破壞.在“弱等強度模型”、主體到達底部前變得支離破碎成小塊.在模擬器里，所有上層的粒子翻滾和碰撞，最終被掩埋.在“中等強度模型”，部分完全破碎，部分為破碎.

2.2不同粘結(jié)強度的崩塌體的破碎演化

平行鍵來模擬巖體的粘結(jié)強度.圖7顯示平行鍵破碎百分比隨時間變化.為“弱強度模型”，滑動的大約20 s大約85%的平行鍵破壞：滑動50 s后幾乎所有平行鍵都破壞了.在這種情況下平行鍵在崩塌體達到公路上前全破壞.因此，滑塊在滑動過程中變得支離破碎.在這一階段，粘性顆粒的行為近似為一種流體.如上所述，該模型不能夠解釋實際崩塌的行為.考慮到的高強度模型的具有較強的粘結(jié)強度，滑塊大約70 s時仍然很完整.這么較長時間跨度只有大約7%的平行鍵破損.70～20 s破碎顯著增加，之后穩(wěn)定.最終結(jié)果只有30%平行鍵破壞.關(guān)于“中等強度模型”，第一次粘結(jié)鍵鍵破壞發(fā)生顯著增長近10 s，5%的粘結(jié)鍵破壞了.另一個顯著增加大約在50 s，因為滑體和公路底部之間的碰撞.模型最大的破碎平行鍵是22%.中等強度特征模型較為合理的解釋了崩塌體的粘結(jié)強度.

圖7　不同平行鍵強度破壞對比Fig.7　Compare different parallel bond strength fracture

2.3崩塌體不同部位的顆粒運動

用弱強度模型分析運動距離，例子中用7個圓球監(jiān)測(圖8).球1，7的初始距離是29.8 m，堆積后兩個靠在一起.滑動過程中，下坡的顆粒碰上后緣的顆粒，下坡的顆粒就會斜向下坡方向加速.

1～7—編號的監(jiān)測球圖8　對比崩塌體7個監(jiān)測顆粒起始和最終堆積位置Fig.8　Comparison between original and final positions for ten monitored disks

如圖8所示，分析崩塌體前緣附近3個圓球1，2，3.崩塌滑動前，球3在崩塌前面最上方，球2在前緣中間，球1在前緣最下方.滑動后，球2到最遠(yuǎn)處，球1相對最近，說明球3勢能比球1大，運行距離遠(yuǎn)，球2說明收到了后面崩塌體的碰撞力，距離更遠(yuǎn).滑動后，球2，7經(jīng)歷了大的位移(約170 m).這個例子顯示崩塌前緣表面的塊體在滑動過程中可能彼此超過并被掩埋，崩塌的接近基地的滑塊移動距離明顯小不會移動到表面.圖8也顯示了崩塌體的中部和上部的塊體的位置經(jīng)歷了小的變動，比如球7，6，5.而崩塌體內(nèi)部深層的塊體可能改變(球4)或者移動距離小(崩塌基底附近的球4與球3，2相比).

某一深度塊體的真實的位移不能檢查，但是通過模擬可以確定崩塌體不同部位的堆積情況，如圖8所示(如：球1，2，3，5，7).一般，下坡截面上的球比后緣的球移動距離遠(yuǎn)，上層的球比底層的球移動距離遠(yuǎn).崩塌體表面和前部的顆粒由于不受約束，更容易滑動和滾動.

3結(jié)論

通過對龍洞子隧道出口處的崩塌體的離散元數(shù)值模擬，一系列不同參數(shù)模擬分析.結(jié)果表明：離散元在地震波作用下可以定性和定量模擬崩塌體的動力演化過程和堆積過程，并具有合理性；崩塌體在崩塌過程中，不同粘結(jié)強度對崩塌體的運動和堆積形態(tài)有重要影響.不同平行鍵強度的崩塌體可以模擬不同粘結(jié)強度的崩塌體，再現(xiàn)了崩塌體破碎動力演化過程；崩塌體表面的顆粒和前緣的顆粒運動距離遠(yuǎn)，內(nèi)部顆粒和底部顆粒運動距離近.前緣顆粒和表面顆粒由于不受約束，有更大自由度，運行距離遠(yuǎn)；在運動過程中，內(nèi)部顆粒和底部顆粒由于受到周圍的顆粒約束，運行距離近.

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(責(zé)任編輯：陳石平)

Dynamic crush analysis of collapse bodies based on the discrete element method

SUN Xinpo1, HE Siming2, YU Yihua1

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China;

2.Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China)

Abstract:Owing to the influence of the Wenchuan earthquake, mountains in the southwest of China were seriously destroyed. Almost all rock slopes were damaged and the collapse was very serious, producing a large amount of collapse bodies at the mouth of caves or in gentle slope zones. There were a large mount of cracked rocks in the upper steep slopes. Under the conditions of aftershock, and rainy and windy weather, these rocks are easily collapsed, threatening the safety of highways. A numerical simulation is conducted on the dynamic crush of collapse bodies with different bond strengths by the discrete element method. The results show that the bond strength of collapse bodies can be modeled by the parallel bond strength designed in the discrete element method. The bond strength has important influence on the movement and accumulation of collapse bodies, and the evolution process of the dynamic crush of collapse bodies is reproduced, which provides a theoretical guidance for the defense of collapse bodies.

Keywords:collapse; discrete element method; crush

文章編號：1006-4303(2015)04-0464-04

中圖分類號：X4

文獻標(biāo)志碼：A

作者簡介：孫新坡(1978—)，男，河北保定人，講師，博士，主要從事山地災(zāi)害形成機理及防治技術(shù)研究，E-mail:xinpo2008@sina.com.cn.

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(41472325)；西南科技大學(xué)博士基金資助項目(12zx7124)；綿陽市科技局項目(14Q0013)

收稿日期：2014-10-30