崩塌体崩塌滑动以及对构筑物冲击作用

　　1 概述

　　“5·12”地震后，我国西南地区爆发了大量灾害，包括滑坡、崩塌、泥石流和山洪等，其中崩塌灾害非常严重。其高速动力特性常常对沿程构筑物造成重大破坏和人员伤亡。

　　Cannon，Hungr［1，2］对山崩或者岩崩采用动力学模型，但大型滑坡的动力学模型的主要困难在于选择合适的物理力学参数，如何适应复杂的地形地貌条件。

　　大型滑坡具有超强的动力特性，对沿程构筑物造成巨大的冲击破坏。Chiou，Teufelsbauer et al［3-5］采用室内模型试验和离散元方法研究了雪崩与防护工程的动力相互作用。何思明等［6］研究了震波能量在危岩体中的输入和耗散机制。

　　裴向军和黄润秋等［7］，运用非连续变形数值分析( DDA) 方法，对危岩体在强震作用下的失稳模式、破坏规模、运动轨迹及对桥墩冲击的动力响应进行模拟研究。冀巧心［8］介绍了柔性防护网在防治崩塌中的应用。

　　本文以水槽试验为研究对象，以圆柱体为构筑物，运用 DEM法进行数值分析崩塌体崩塌滑动以及对构筑物冲击作用，用来预测崩塌及防护。

　　2 建模及分析

　　2． 1 问题描述

　　彻底关大桥位于国道 213 线都( 江堰) —汶( 川) 公路 K44 +235 处，地震时被崩塌滚石冲毁，后经重建，新的彻底关大桥于2009 年 5 月 12 日建成。由于连日大雨，2009 年 7 月 25 日凌晨4: 40 左右，岷江右岸山体高位( 落差达 500 m) 危岩发生大面积( 崩塌体总方量超过 10 000 m3) 崩塌，导致桥墩再次被冲毁( 如图1 所示) 。

　　2． 2 基本理论

　　离散的颗粒的受力与运动遵循牛顿定律的基本原理，在外力的作用下，系统可以保持静态平衡，也可能产生破坏，并发生颗粒流动。

　　PFC 程序进行颗粒流动模拟计算基于以下假设:

　　1) 所有颗粒体为刚体;

    2) 颗粒之间的接触面积非常小;

    3) 颗粒之间的接触采用弱接触分析方法进行描述，刚性颗粒允许在接触点发生重叠;

    4) 颗粒间接触重叠的大小与接触力相关，由力—位移关系控制，且所有的重叠尺寸相对于颗粒大小来说很小;

    5) 所有颗粒均为圆形。

　　2． 3 DEM 数值建模

　　如图 2 所示，实际斜坡用一个水槽进行模拟，颗粒体沿水槽下滑，并与水槽底部的圆柱形桩发生碰撞，最终堆积在水槽底部的水平部分。斜坡坡角为 α，颗粒体在坡面上的高度为 H，颗粒体体积 V0。坡前的圆柱体用来模拟桥墩，圆柱体距坡脚 S。长度为S 的存储区用来减缓颗粒体的运动。由于三维颗粒体的运动，所以考虑了碎屑流到达最后平衡形状前的水平分散。

　　初始颗粒体体积 V0= 33． 75 m3，斜面角度 α =45°。水槽底前的圆柱高 3 m，直径 0． 5 m ～0． 6 m。

　　颗粒体大约由 2 263 个颗粒组成，半径 r =0． 1 m ～0． 125 m，颗粒半径大小呈高斯随机分布，颗粒密度 ρs= 26． 5 kN / m3。

　　采用 PFC 程序进行边坡模拟时，需要输入颗粒的微观特性参数，包括颗粒体的法向刚度、切向刚度，颗粒之间接触的接触面强度参数等，见表 1。

　　3 计算结果分析

　　现在对崩塌体的摩擦系数及圆柱体的不同直径和位置对崩塌体的堆积和碰撞力的影响进行分析。

　　图 2 是水槽模拟图，颗粒内摩擦角 32°，s =2 m，圆柱直径 d =0． 5 m，底板未打开。图 3a) 是底板打开，颗粒体在自重作用下，沿水槽滑道下滑，运行 10 万步图，可以看到，只有很少颗粒流到滑道下面停在圆柱前。图 3b) 显示计算 100 万步时颗粒的运动情况，可以看出更多颗粒散落在圆柱前，部分颗粒越过圆柱到圆柱后面，形状更接近半圆。图 3c) 是计算 300 万步时的侧面和俯视图，颗粒堆积区形状呈半圆形，由于圆柱的影响，半圆前方有缺口，说明了圆柱对颗粒堆积形状的影响。图 3b) ～ 图 3d) 分别是100 万步，300 万步，528 万步的侧面和俯视图，堆积体形状半圆，半径分别是 4． 56，5． 75，5． 95。可以看到堆积半径和堆积面积随着时间的增长而增长，前期，堆积半径和堆积面积增长迅速，但是增长速度很快开始放缓，最后达到稳定。

　　图 4 为颗粒摩擦角为 32°，34°，38°时，堆积面积随时间( 计算步数) 的演化图，可以看出摩擦角越小，堆积面积和体积达到稳定时间越短。颗粒堆积过程大致分 3 个阶段，第一阶段面积和体积堆积速度慢，斜率平缓; 第二阶段堆积速度加快，斜率陡升; 第三阶段堆积速度变缓。

　　3． 1 摩擦角对碰撞力的影响

　　图 5 显示不同摩擦角时，颗粒体对圆柱碰撞作用力的过程，其中，s =2 m，圆柱直径为 0． 5 m，摩擦角分别是 32°，34°，38°。可以看出碰撞力呈动态变化，先增长到最大，在总的趋势上逐渐减小到一个稳定的静态力。摩擦角越小，达到稳定静态力时间越短。图 5 显示碰撞力随着摩擦角增长总体碰撞力增长。摩擦角小的时候，颗粒比较散的碰撞圆柱随着颗粒间摩擦力增长，颗粒聚集形成比较大的团块碰撞圆柱，冲击力也相应增大。

　　3． 2 圆柱位置对碰撞力的影响

　　图 6 显示最大碰撞力与圆柱距离的大小的关系，最大碰撞力随圆柱距离的增大而减小，摩擦力越小，达到最大碰撞力时间越短。达到最大力后逐渐减小最后趋于静态力，达到平衡。

　　3． 3 圆柱直径对碰撞力的影响

　　图 7 显示最大碰撞力与圆柱直径的大小的关系，最大碰撞力随圆柱直径的增大而增大，并且呈非线性的关系。最大碰撞力随着直径增大迅速增大，表明随着直径增大，接触面积二次方增大，所以是非线性的。

　　4 结语

　　离散元可以模拟颗粒物质的流动面积，和颗粒与结构物之间的相互作用计算分析，可以得出如下结论:

　　1) 堆积区面积和体积呈半圆扇形扩展，开始堆积面积和堆积体积快速增长，之后缓慢达到稳定状态;

    2) 颗粒内摩擦角对堆积面积具有显着的影响，摩擦角越小，堆积面积达到稳定时间越短。堆积过程大致分三个阶段，第一阶段面积和体积堆积速度慢，斜率平缓; 第二阶段堆积速度加快，斜率陡升，第三阶段堆积速度变缓;

    3) 碰撞力是动态力，先增长到最大，再减小到一个稳定的静态力。摩擦角越小，达到稳定静态力时间越短，碰撞力随着摩擦角增长总体碰撞力增长。最大碰撞力随圆柱距离的增大而减小，摩擦力越小，达到最大碰撞力时间越短。达到最大力后最后趋于静态力，达到平衡。碰撞力随着直径增大迅速增大。

　　参考文献:

　　［1］ Cannon，S． H． An approach for determining debris flow runoutdistances． Proceedings of Conference XX，International ErosionControl Association． Vancouver，British Columbia，1989: 459-468．