基于離散元法的滑坡模擬研究

張永柱 吳 劍

王能永2 謝智平1

(1.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002； 2.湖北煤炭地質(zhì)一二八隊(duì)，湖北 黃石 435000)

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基于離散元法的滑坡模擬研究

張永柱1吳 劍1*

王能永2謝智平1

(1.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002； 2.湖北煤炭地質(zhì)一二八隊(duì)，湖北 黃石 435000)

介紹了秭歸縣白家包滑坡的工程概況，利用PFC2D軟件，模擬了該滑坡的變形破壞過(guò)程，并通過(guò)傾斜加載和強(qiáng)度折減法，分析了滑坡破壞時(shí)的速度場(chǎng)，總結(jié)了滑坡的成因與形成機(jī)制，從而為滑坡的治理工程提供依據(jù)。

滑坡，數(shù)值模型，離散元，強(qiáng)度折減法

0 引言

離散元法是美國(guó)學(xué)者Cundall P.A.教授于1971年所提出的一種不連續(xù)數(shù)值計(jì)算方法，它既能模擬塊體受力后的運(yùn)動(dòng)，又能模擬塊體本身受力的變形狀態(tài)[1]。PFC2D與常規(guī)的有限元方法不同，它把介質(zhì)看成不連續(xù)的基本單元，這些基本單元是微觀的，本身具有一定的幾何、物理、化學(xué)特征，它通過(guò)圓形顆粒介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)及其相互作用來(lái)模擬顆粒材料的力學(xué)特性。單元之間通過(guò)接觸關(guān)系，建立位移和力的相互作用規(guī)律，各單元只與相鄰的基本單元作用，其運(yùn)動(dòng)遵從牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，基本單元的接觸遵循力和位移法則。計(jì)算過(guò)程就是分時(shí)步不斷地重復(fù)對(duì)每個(gè)單元使用運(yùn)動(dòng)方程和對(duì)每個(gè)接觸使用力和位移法則，可方便地求解非線性大位移和動(dòng)力穩(wěn)定問(wèn)題[2，3]。與常規(guī)的有限元模擬計(jì)算軟件相比，在研究滑坡體的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題時(shí)能取得很好的效果。

1 邊坡的工程概況

白家包滑坡位于秭歸縣歸州鎮(zhèn)向家店村，展布于香溪河右岸，前緣直抵香溪河，滑坡剪出口位于高程125 m～135 m，滑坡后緣以基巖為界，高程265 m，左側(cè)以山脊下部基巖為界，右側(cè)以山梁為界?；缕矫嫘螒B(tài)呈短舌狀，前緣寬500 m，后緣寬300 m，均寬約400 m，縱長(zhǎng)約550 m，滑坡面積22×104m2。滑坡坡面坡度10°～15°，滑體前緣臨江段坡度20°，中部平緩，坡度10°～12°，滑坡平均坡度約15°，深層滑體前緣厚20 m～30 m，中部厚47 m，后緣厚10 m～40 m，滑體總體積約1 650×104m3。邊坡的地質(zhì)剖面圖見(jiàn)圖1。

2 參數(shù)的選取及數(shù)值模型的建立

2.1 數(shù)值模擬參數(shù)的選取

對(duì)于選取的白家包滑坡剖面，由于滑床以下基礎(chǔ)部分在整個(gè)過(guò)程中不發(fā)生運(yùn)動(dòng)，對(duì)上部的變形和運(yùn)動(dòng)特征基本無(wú)影響，只是為上部滑體的運(yùn)動(dòng)變形提供一個(gè)固定的空間參考系，因此，為方便計(jì)算，其參數(shù)的選取不作為考慮的對(duì)象。本文重點(diǎn)考慮的是對(duì)滑體和滑帶參數(shù)的選取。室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，經(jīng)反復(fù)試算最終選取數(shù)值模擬的參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 室內(nèi)試驗(yàn)宏觀參數(shù)取值

表2 對(duì)應(yīng)的PFC模型細(xì)觀參數(shù)

2.2 白家包滑坡離散元模型的建立

根據(jù)前面所取的細(xì)觀參數(shù)值，利用PFC2D軟件建立白家包原型尺寸的平面模型，顆粒間采用平行粘結(jié)模型，該模型長(zhǎng)720 m，最大高度280 m。材料分為3個(gè)區(qū)，由下到上依次為滑床、滑帶、滑體。在建模的過(guò)程中，首先生成滑床顆粒，由于滑床整個(gè)過(guò)程中是穩(wěn)定的，因此將整個(gè)滑床顆粒X向和Y向均固定；其次生成滑帶，滑帶的生成分為2次，第1次生成時(shí)滑帶顆粒比預(yù)期值要小，待滑體生成后，通過(guò)第2次膨脹滑帶，使所有顆粒之間能夠緊密接觸，最后再將3種顆粒做一次靜定處理，使其能夠自由堆放。

為了能從定量上來(lái)分析滑坡體的變形特征，我們?cè)诨麦w上布置了6個(gè)監(jiān)測(cè)球。采用PFC2D程序?qū)?個(gè)球的位置進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡的發(fā)生發(fā)展的過(guò)程進(jìn)行模擬。6個(gè)監(jiān)測(cè)球分別位于滑坡體的前緣、中部(中部2組，每組分上下2個(gè)球)和后緣上?；卤O(jiān)測(cè)球布置見(jiàn)圖2。

3 離散單元法模擬結(jié)果分析

3.1 在傾斜加載和改變折減系數(shù)下邊坡破壞過(guò)程分析

為了了解模型的破壞過(guò)程，本文采用傾斜加載和強(qiáng)度折減法兩種方式對(duì)邊坡施加荷載[4,5]。圖3～圖8是模型傾斜角度為9°和折減系數(shù)為1.8時(shí)坡體各監(jiān)測(cè)球速度隨時(shí)步的變化圖，從圖中可以看出，兩種加載方式下，各監(jiān)測(cè)球的速度變化規(guī)律比較相似。從各個(gè)監(jiān)測(cè)球來(lái)看，1號(hào)監(jiān)測(cè)球最開(kāi)始的速度最大，達(dá)到0.5 m/s，中間2號(hào)～5號(hào)監(jiān)測(cè)球的速度在0.2 m/s～0.35 m/s之間，后緣6號(hào)監(jiān)測(cè)球的滑速較中間的快。整個(gè)的速度變化趨勢(shì)是開(kāi)始速度快，中間某個(gè)過(guò)程后5個(gè)球的速度趨于零，緊接著經(jīng)歷了兩三次時(shí)快時(shí)慢的變化，最終都趨于零。其中在中間的某個(gè)過(guò)程，只有滑坡體的前緣在滑動(dòng)，當(dāng)前緣再一次滑動(dòng)后，后部滑體失去支撐，進(jìn)而跟著一起滑動(dòng)，表明了坡體的破壞方式為牽引式滑坡。

3.2 滑坡破壞模式分析

從上面的速度場(chǎng)的分析可知，白家包滑坡的破壞模式為前緣先動(dòng)，而且前緣的滑動(dòng)位移比后緣大，滑速表現(xiàn)出中間慢，前后快，前緣啟動(dòng)時(shí)刻滑速較后緣大，當(dāng)前緣滑動(dòng)破壞后，后部失去支撐時(shí)，從而發(fā)生整體滑動(dòng)，整個(gè)滑坡表現(xiàn)出牽引式滑坡的破壞特征。

4 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法，簡(jiǎn)單標(biāo)定了白家包滑坡的數(shù)值模擬所需的細(xì)觀參數(shù)，接著以白家包滑坡作為研究對(duì)象，用數(shù)值模擬方法將傾斜加載方式與強(qiáng)度折減法得出的速度指標(biāo)進(jìn)行定性定量分析，得出了以下結(jié)論：

1)在離散元模擬計(jì)算中，對(duì)于滑體比較松散的材料，采用對(duì)滑體和滑帶同時(shí)折減，模擬計(jì)算得出的結(jié)果可能更可靠，但對(duì)于滑體粘結(jié)比較強(qiáng)的，可以只對(duì)滑帶進(jìn)行折減。

2)強(qiáng)度折減法是一種常用的計(jì)算方法，通過(guò)對(duì)白家包滑坡的傾斜加載和強(qiáng)度折減法模擬結(jié)果速度場(chǎng)進(jìn)行分析，可以看出兩種加載方式得出的模擬結(jié)果比較相似，從而說(shuō)明傾斜加載方式在滑坡試驗(yàn)時(shí)的可行性。

[1] 賀續(xù)文,劉 忠,廖 彪,等.基于離散元法的節(jié)理巖體邊坡穩(wěn)定性分析[J].巖石力學(xué),2010,32(7):2199-2204.

[2] 鄭書(shū)彥,李占斌,李甲平,等.滑坡侵蝕離散元分析研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(12):2124-2128.

[3] 王 宇,李 曉,王聲星,等.滑坡漸進(jìn)破壞運(yùn)動(dòng)過(guò)程的顆粒流仿真模擬[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2012,29(12):46-52.

[4] 吳 劍,張振華,王幸林,等.邊坡物理模型傾斜加載方式的研究[J].巖土力學(xué),2012,33(3):713-718.

[5] 周 健,池毓蔚,池 永,等.砂土雙軸試驗(yàn)的顆粒流模擬[J].巖土工程學(xué)報(bào),2000,22(6):701-704.

Research on landslide simulation based on Discrete Element Method

Zhang Yongzhu1Wu Jian1*Wang Nengyong2Xie Zhiping1

(1.CollegeofCivilEngineeringandArchitectureofChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China; 2.HubeiCoalGeologyOneTwoEightTeams,Huangshi435000,China)

The paper introduces Baijiabao landslide engineering conditions of Zigui county, and simulates the landslide deformation damage process by using PFC2D software. Through inclined loading and SSRM, it analyzes velocity field when the landslide is destroyed, summarizes landslide causes and forming mechanism, so as to provide some guidance for landslide treatment engineering.

landslide, numerical model, DEM(Discrete Element Method), SSRM(Shear Strength Reduction Method)

1009-6825(2016)26-0079-03

2016-07-05

張永柱(1989- )，男，在讀碩士； 王能永(1986- )，男，碩士； 謝智平(1988- )，男，在讀碩士

吳 劍(1973- )，男，副教授

P642.22

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