基于FDEM的戒臺寺古滑體開裂破壞過程數(shù)值模擬

陶志剛，張海江,3,4，尹利潔，韓文帥，陳伊凡

(1.深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院, 北京 100083；3.紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312099；4.紹興文理學(xué)院巖石力學(xué)與地質(zhì)災(zāi)害實(shí)驗(yàn)中心，浙江 紹興 312099)

基于FDEM的戒臺寺古滑體開裂破壞過程數(shù)值模擬

陶志剛1,2，張海江1,2,3,4，尹利潔1,2，韓文帥1,2，陳伊凡2

(1.深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院, 北京 100083；3.紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312099；4.紹興文理學(xué)院巖石力學(xué)與地質(zhì)災(zāi)害實(shí)驗(yàn)中心，浙江 紹興 312099)

戒臺寺古滑坡體受多期構(gòu)造運(yùn)動控制，邊坡巖體中裂縫發(fā)育，結(jié)構(gòu)破碎，風(fēng)化卸荷引起局部滑移嚴(yán)重。2005年，對古滑體Ⅰ級和Ⅱ級平臺進(jìn)行了綜合治理，但2013年后期，戒臺寺大雄寶殿后墻和后花園地面又發(fā)育多組裂縫，且在Ⅲ級平臺坡腳處發(fā)現(xiàn)大量新斷口崩塌坡積物，古滑體有復(fù)活征兆。為探索戒臺寺古滑坡體從二次穩(wěn)定到開裂破壞的變形機(jī)制和破壞特征，文章首先采用雜交有限元-離散元法(FDEM)建立戒臺寺古滑坡體數(shù)值模型；然后，將模擬計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場GPS地表位移監(jiān)測曲線和破壞特征進(jìn)行對比分析，結(jié)果顯示FDEM數(shù)值模型較好地再現(xiàn)了戒臺寺古滑坡體局部開裂、擴(kuò)展、貫通、脫離、滑移、碰撞和堆積全過程；最后，判斷出戒臺寺古滑坡體的危險(xiǎn)區(qū)域，為古滑坡體深部力學(xué)監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置提供科學(xué)依據(jù)。

戒臺寺；FDEM；開裂破壞；滑坡模擬；深部力學(xué)監(jiān)測

隨著人類工程活動的日益活躍，在現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)備的助力下，原始地形地貌受到大規(guī)模的改造，高填方低挖方形成的高陡邊坡越來越多[1]，導(dǎo)致滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重威脅著人類生命財(cái)產(chǎn)的安全和人工構(gòu)筑物的穩(wěn)定。目前，對于這類災(zāi)害的數(shù)值模擬分析已經(jīng)成為邊坡工程領(lǐng)域國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題，多種計(jì)算方法和軟件系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，如FLAC、UDEC、PFC、3DEC、Geo-slope等。許多學(xué)者利用這些方法針對邊坡失穩(wěn)破壞開展了大量的研究工作，取得了豐富的研究成果[2～4]。

雖然傳統(tǒng)的連續(xù)數(shù)值計(jì)算方法在邊坡穩(wěn)定性分析和數(shù)值計(jì)算方面得到了廣泛應(yīng)用(有限元法和邊界元法[5～9])，但由于算法本身無法考慮邊坡失穩(wěn)破壞后的大變形開裂，因此只能對邊坡失穩(wěn)破壞前的小變形進(jìn)行系列模擬；而離散元法雖然實(shí)現(xiàn)了對節(jié)理、裂隙進(jìn)行建模，并且可以考慮多物理場耦合復(fù)雜條件(如UDEC、3DEC等)，但無法模擬邊坡巖體本身在外力擾動下的開裂[10]，因而對于邊坡巖體開裂、擴(kuò)展、貫通、脫離、滑移(或滾動)、碰撞和堆積全過程模擬顯得無能為力。

針對上述問題，一些學(xué)者開始探索將連續(xù)法和不連續(xù)法進(jìn)行耦合，取長補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)對邊坡失穩(wěn)后出現(xiàn)的材料開裂破壞和破碎問題進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算[11～13]。最具代表性的是Munjiza設(shè)計(jì)的雜交有限元-離散元法(FDEM)，該方法在連續(xù)和非連續(xù)法之間建立了橋梁[14]。然而，由于邊坡失穩(wěn)破壞成因和過程極其復(fù)雜，且邊坡巖體基本物理力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果穩(wěn)定性和重復(fù)性較差，導(dǎo)致數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際破壞難以吻合，得到的分析成果可信度低。因此，針對上述難題，本文采用FDEM法建立戒臺寺古滑坡體數(shù)值模型，將模擬計(jì)算結(jié)果與GPS地表位移監(jiān)測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場破壞特征進(jìn)行對比優(yōu)化，逐步調(diào)整參數(shù)，確保模型斷裂參數(shù)的校準(zhǔn)和斷裂巖石的尺度可以真實(shí)反應(yīng)滑坡全過程，為類似非連續(xù)方法研究類似邊坡開裂破壞提供借鑒。

1 有限-離散元法(FDEM)原理

FDEM法(Finite Element-Discrete Element Method)是有限元-離散元法的簡稱，由Munjiza[12]建立，巧妙融合了有限元和離散元算法的優(yōu)點(diǎn)，把適應(yīng)于連續(xù)問題分析的有限元法和適應(yīng)于瞬態(tài)、接觸檢測、接觸相互作用等離散問題的離散元法結(jié)合在一起，是一種特別適合于研究礦山開采和大型邊坡失穩(wěn)破壞機(jī)制的強(qiáng)有力工具[14]。FDEM法的計(jì)算網(wǎng)格采用通常的有限元離散技術(shù)實(shí)現(xiàn)，平面問題采用三角形單元，在線性三角形單元之間插入無厚度的節(jié)理單元，即將兩個(gè)相鄰的三角形單元的兩條邊上的四個(gè)節(jié)點(diǎn)連接起來，形成一個(gè)四節(jié)點(diǎn)的粘聚單元(圖1)。

圖1 三角形單元和節(jié)理單元Fig.1 Triangular elements and joint elements

在邊坡開裂破壞模擬計(jì)算過程中，當(dāng)采用粘聚單元模型時(shí)，巖體材料漸進(jìn)破壞基于接觸單元強(qiáng)度鈍化方式實(shí)現(xiàn)(這種接觸單元稱為斷裂單元)，其可以視為材料變形過程中必然出現(xiàn)的自然破壞結(jié)果，因而計(jì)算過程中不須再引入其它宏觀破壞準(zhǔn)則。若粘聚單元破裂，則相應(yīng)含裂紋單元從連續(xù)計(jì)算模型中移除，因此模型局部實(shí)現(xiàn)了從連續(xù)到非連續(xù)狀態(tài)轉(zhuǎn)變。斷裂模型包括Ⅰ型模態(tài)(張拉破壞)和Ⅱ型模態(tài)(剪切破壞)，這些斷裂模型實(shí)際上是單列紋和鈍化裂紋模型的結(jié)合。在計(jì)算過程中，允許離散單元體產(chǎn)生位移和轉(zhuǎn)動，而新的接觸由計(jì)算程序自動辨識。離散系統(tǒng)的方程求解采用顯示積分格式，在收斂后的每一時(shí)間步更新單元結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

圖2 邊坡失穩(wěn)破壞特征Fig.2 Characteristics of the slope instability

本文以Munjiza提出的FDEM法為基礎(chǔ)，定量模擬戒臺寺古滑坡體開裂、擴(kuò)展、貫通、脫離、滑移、滾動、碰撞、回彈和堆積破壞全過程(圖2)，具備了從非連續(xù)介質(zhì)角度研究邊坡巖體開裂破壞復(fù)雜力學(xué)行為的理論基礎(chǔ)和工具基礎(chǔ)。

2 古滑坡體區(qū)域地質(zhì)概況

2.1 工程概況

北京戒臺寺為我國重點(diǎn)文物保護(hù)單位，至今已經(jīng)有1 400多年的歷史，是全國最大的佛教戒壇。該寺位于北京市門頭溝區(qū)馬鞍山北麓，殿堂依山勢而建，西南高，北東低，錯落有致[15]。

由于戒臺寺周圍區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，礦產(chǎn)豐富(煤礦、黏土礦、石灰石礦等)，采礦歷史悠久，最早可追溯到明清時(shí)代，采礦擾動造成邊坡巖體松動。近些年，隨著人類開采規(guī)模的日益增大，采礦活動對山體的擾動進(jìn)一步加劇，使得局部地區(qū)采空塌陷、裂縫、滑移、崩塌災(zāi)害頻發(fā)。自2004年雨季以來，戒臺寺院內(nèi)地坪及部分殿堂原有裂縫明顯增大，地裂縫所經(jīng)之處建筑物出現(xiàn)局部下沉或拉裂(圖3)。

圖3 寺廟墻壁裂縫和后花園地面開裂破壞Fig.3 Fracture development characteristics on the surface land

2005年，為保障滑體頂部戒臺寺的安全與穩(wěn)定，對古滑體Ⅰ級和Ⅱ級平臺進(jìn)行支擋、錨固、治水、注漿等綜合治理，治理后滑體整體變形量和變形速率明顯降低，對滑體穩(wěn)定性起到較好的控制作用。2013年后期，戒臺寺大雄寶殿后墻和后花園地面又發(fā)育多組裂縫(裂縫走向與主滑方向垂直)，且在Ⅲ級平臺坡腳處發(fā)現(xiàn)大量新斷口崩塌坡積物，古滑體有復(fù)活征兆。

2.2 地形地貌

戒臺寺位于北京市西南山區(qū)馬鞍山的北麓，其前緣為走向近SN向山梁，處于中低山—平原過渡地帶，屬低山剝蝕地貌單元。南側(cè)馬鞍山山脈走向總體近EW向，略呈反“S”形。山脊呈東低西高，山頂高程375～676 m。馬鞍山南側(cè)為山前斷陷平原，山坡地形陡峻，北側(cè)為低山溝谷地形，邊坡自然斜坡橫坡坡度約20°～40°，植被茂密。

戒臺寺所在邊坡發(fā)育有四級平臺，由南向北依次遞降(圖4)。戒臺寺位于第Ⅰ級平臺，平臺高程380～400 m，南西高北東低，向東側(cè)溝傾斜；畫家院子處在第Ⅱ級平臺，平臺高程約370 m，通過陡坎與I級平臺銜接，坎高約20 m；三叉路口位于第Ⅲ級平臺，平臺高程340～350 m；108國道以北100 m處的大平臺位于第Ⅳ級平臺，平臺高程300～310 m。

2.3 地層巖性

戒臺寺古滑坡體地層巖性主要由三部分組成，由表入深依次為第四系殘坡積層、石炭系砂質(zhì)頁巖層和石炭系砂巖層。由于戒臺寺古滑坡體歷史上經(jīng)歷多次“穩(wěn)定—失穩(wěn)—再次穩(wěn)定”的循環(huán)擾動，再加上降雨軟化、建筑物荷載、日照、風(fēng)化、井工開采等多因素的綜合影響，邊坡巖體結(jié)構(gòu)類型發(fā)生了顯著的變化和分級：

(1)整體結(jié)構(gòu)：巖性單一，以砂巖為主。構(gòu)造變形輕微，結(jié)構(gòu)面少，一般不超過3組，延展性極差，多閉合，無充填或夾雜少量碎屑。這類結(jié)構(gòu)巖體主要分布于坡面以下≥30 m范圍內(nèi)。

(2)碎裂結(jié)構(gòu)：以砂質(zhì)頁巖為主，受人工擾動和古滑坡的影響，邊坡巖體構(gòu)造破碎強(qiáng)烈，各類結(jié)構(gòu)面均發(fā)育，彼此交切多被充填，結(jié)構(gòu)面光滑度不等，形態(tài)不一。這類結(jié)構(gòu)巖體主要分布于坡面以下5～30 m范圍內(nèi)，坡腳處厚度較大。

(3)散體結(jié)構(gòu)：也稱之為松散坡積物，節(jié)理、劈理密集，破碎帶呈塊夾泥或泥包塊的松軟狀態(tài)。這是因?yàn)榻涤耆霛B導(dǎo)致頁巖和砂質(zhì)頁巖強(qiáng)度軟化，在日照和風(fēng)化作用下呈泥狀后，與滾石堆積體混合交織在一起組成的特殊性質(zhì)巖體。這類結(jié)構(gòu)巖體主要分布于坡面以下0～5 m范圍內(nèi)，分布較為均勻。

2.4 地質(zhì)構(gòu)造

寺廟周圍區(qū)域歷經(jīng)多期構(gòu)造運(yùn)動作用，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，不同期次構(gòu)造的交錯與繼承改造，構(gòu)成了滑坡區(qū)的構(gòu)造格局。地質(zhì)構(gòu)造以近EW向(或NEE向)和NNE向(或近SN向)構(gòu)造為主，NE向和NWW向構(gòu)造次之。多期構(gòu)造作用，使戒臺寺被割裂呈現(xiàn)多塊狀，為地下水的賦存和徑流排泄提供途徑。

2.5 水文地質(zhì)特征

戒臺寺主要地下水類型為基巖裂隙水，賦存于裂隙發(fā)育的砂巖和構(gòu)造破碎帶中，多為層間水，具有承壓性。區(qū)內(nèi)地下水的補(bǔ)、徑、排受地形地貌、大氣降水、地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造的影響，補(bǔ)給方式主要來自于大氣降水入滲，排泄方式主要包括自然蒸發(fā)、向地表及戒臺寺東西溝的側(cè)向徑流。

3 戒臺寺古滑體破壞計(jì)算模型

3.1 計(jì)算模型概化

FDEM法最重要的優(yōu)點(diǎn)是在邊坡從一個(gè)穩(wěn)態(tài)到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化全生命周期內(nèi)(穩(wěn)定—開裂—擴(kuò)展—貫通—脫離—滑移—滾動—碰撞—回彈—堆積—再次穩(wěn)定)，允許離散單元體產(chǎn)生位移和轉(zhuǎn)動。因此，為了對戒臺寺古滑坡體自然狀態(tài)下的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬計(jì)算，探索邊坡巖體開裂破壞動態(tài)演變規(guī)律，本次模擬選取的二維斷面高程區(qū)間為260～387 m，高差約127 m，水平長度為314 m，貫穿Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級和Ⅳ平臺，地質(zhì)概化模型幾何特征如圖5所示。

圖5 地質(zhì)計(jì)算模型概化(單位:m)Fig.5 Generalized computing geological model (unit: m)

3.2 網(wǎng)格劃分

利用ANSYS軟件，對戒臺寺古滑坡體的計(jì)算概化模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元網(wǎng)格用常應(yīng)變平面三角線單元。戒臺寺古滑坡體計(jì)算模型材料、尺寸和網(wǎng)絡(luò)特征如圖6所示。戒臺寺古滑坡體網(wǎng)格模型計(jì)算域由4 551個(gè)三角形單元組成，結(jié)點(diǎn)數(shù)為2 511。綠色區(qū)域?yàn)檎w結(jié)構(gòu)的砂巖(基巖)，藍(lán)色區(qū)域?yàn)樗榱呀Y(jié)構(gòu)的砂質(zhì)頁巖(碎裂結(jié)構(gòu))，紅色區(qū)域?yàn)樯Ⅲw結(jié)構(gòu)的第四系坡積物、砂質(zhì)頁巖和頁巖堆積體(散體結(jié)構(gòu))。

圖6 計(jì)算模型材料、尺寸和網(wǎng)格(單位:m)Fig.6 Geometry and mesh of the computational model(unit: m)

3.3 參數(shù)選取

FDEM采用顯示積分格式進(jìn)行計(jì)算，通常需要較小的時(shí)間增量步，以保證計(jì)算收斂的穩(wěn)定性。因此，本次計(jì)算時(shí)間增量步設(shè)置為1×10-5s，模型底邊水平和垂直約束，兩邊水平約束，施加重力加速度為9.8 m/s2。

計(jì)算模型巖石參數(shù)和節(jié)理參數(shù)見表1～2，其中表1中的密度、楊氏模量、泊松比、黏聚力和內(nèi)摩擦角是通過巖石室內(nèi)物理力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)獲得，其余參數(shù)基于室內(nèi)測試結(jié)果，利用Y-Geo程序手冊查詢獲得。表2中的參數(shù)是通過對比模擬結(jié)果與現(xiàn)場破壞特征及地表變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，逐次優(yōu)化調(diào)整確定。

3.4 計(jì)算結(jié)果及分析

本文重點(diǎn)研究利用FDEM法來模擬計(jì)算戒臺寺古滑坡體的穩(wěn)定特性和開裂破壞特征，并將計(jì)算結(jié)果和實(shí)際邊坡破壞物理特征及地表位移GPS現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)對比，逐步優(yōu)化調(diào)整計(jì)算參數(shù)，最終探索FDEM法對古滑坡體穩(wěn)定性評價(jià)和數(shù)值模擬計(jì)算的可行性。因此，本文僅給出滑坡體在不同時(shí)刻的開裂變化規(guī)律，不提供每一計(jì)算時(shí)間步長的速度、位移及各種應(yīng)力分量的分布特征。

表1 計(jì)算模型巖石參數(shù)Table 1 Rock mass properties

注：Rock1—?dú)埰路e層(R1)；Rock2—砂質(zhì)頁巖(R2)；Rock3—基巖(R3)

表2 計(jì)算模型節(jié)理參數(shù)Table 2 Joint sets properties

本次計(jì)算時(shí)間增量步設(shè)置為1×10-5s，從邊坡巖體Ⅰ級和Ⅱ級平臺(坡頂部)出現(xiàn)微裂縫開始，直到IV級平臺(坡腳處)發(fā)生回彈堆積結(jié)束，F(xiàn)DEM數(shù)值計(jì)算滑坡全過程用時(shí)總計(jì)約6 s，總步長2000步。為了能夠連續(xù)反映戒臺寺古滑坡體開裂破壞全過程變化規(guī)律，按照一定時(shí)間間隔，選取6張不同時(shí)刻的數(shù)值模擬截圖(圖7)。截圖時(shí)間分別從邊坡穩(wěn)態(tài)計(jì)時(shí)t=0 s開始，接著按照t=1.497 s、2.247 s、2.997 s、4.497 s和5.997 s截圖，直到邊坡達(dá)到二次平衡狀態(tài)為止。

圖7 不同時(shí)間和步長邊坡開裂破壞規(guī)律Fig.7 Cracking destruction rule of the slope in different time and steps

圖7顯示，邊坡從穩(wěn)態(tài)(0 s)開始，經(jīng)歷了開裂和貫通(1.497 s)、脫離和滑移(2.247 s)、剪切和擠壓(2.997 s)、滑移和堆積(4.497 s)，直到二次穩(wěn)定(5.997 s)。當(dāng)邊坡達(dá)到二次平衡穩(wěn)定后，古滑坡體局部第四系蓋層滑移，裸露巖石較破碎，特別是坡腳處滾石堆積嚴(yán)重。

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際邊坡破壞情況是否一致，本文通過“實(shí)測數(shù)據(jù)定量對比”和“現(xiàn)場破壞特征定性對比”兩種途徑。

(1)實(shí)測數(shù)據(jù)定量對比

實(shí)測數(shù)據(jù)定量對比指將數(shù)值模擬計(jì)算終態(tài)模型中的測點(diǎn)位移量和現(xiàn)場相應(yīng)位置實(shí)測位移量進(jìn)行對比。調(diào)取了設(shè)置在Ⅱ級平臺上3個(gè)GPS地表位移監(jiān)測點(diǎn)(圖4)的數(shù)據(jù)(監(jiān)測點(diǎn)編號從坡腳到坡頂依次為GPS-1、GPS-2和GPS-3)，發(fā)現(xiàn)2013年3—8月，GPS-1監(jiān)測點(diǎn)最大變形量達(dá)到164 mm，GPS-2監(jiān)測點(diǎn)最大變形量達(dá)到158 mm，GPS-3監(jiān)測點(diǎn)最大變形量達(dá)到94 mm(圖8)。

圖8 GPS監(jiān)測點(diǎn)分布圖及監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.8 Distribution map of the GPS displacement monitoring points and the monitoring data in 2013

為了使得模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果具有可比性，在GPS監(jiān)測點(diǎn)相應(yīng)位置分別設(shè)置了3個(gè)計(jì)算模型形變測點(diǎn)，測點(diǎn)編號由坡腳到坡頂依次為J1、J2和J3。當(dāng)t=5.997 s，step=2 000時(shí)，測量到戒臺寺滑坡體J1、J2和J3三個(gè)測點(diǎn)最大變形量分別為156 mm、147 mm和102 mm，與實(shí)測值的誤差率分別為4.88%、6.96%和8.51%，符合誤差要求。

(2)現(xiàn)場破壞特征定性對比

現(xiàn)場破壞特征定性對比指通過邊坡現(xiàn)場調(diào)查，選擇一些典型部位的破壞現(xiàn)象與數(shù)值計(jì)算終態(tài)模型中相應(yīng)位置的破壞現(xiàn)象進(jìn)行對比。戒臺寺古滑坡體現(xiàn)場破壞特征定性對比如圖9所示。

圖9顯示，戒臺寺古滑坡體數(shù)值模擬計(jì)算終態(tài)模型中(s=2 000)，脫離、滑移、崩塌、碰撞和堆積現(xiàn)象嚴(yán)重。其中，第四系脫離、滑移現(xiàn)象主要發(fā)生在第四系厚度較薄的Ⅲ級平臺和Ⅳ級平臺過渡部位；崩塌災(zāi)害主要發(fā)生在Ⅱ級平臺和Ⅲ級平臺交界處的陡崖部位；碰撞和堆積主要發(fā)生在每個(gè)平臺坡腳處。

圖9 現(xiàn)場與模型破壞特征對比圖Fig.9 Comparison of failure characteristics of the model and the scene

雖然戒臺寺古滑坡體局部出現(xiàn)了大量變形次生災(zāi)害，但是邊坡總體相對穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)整體垮塌現(xiàn)象，證明采取抗滑樁、框架梁等綜合治理措施對邊坡穩(wěn)定性控制效果顯著。據(jù)此，可以判斷數(shù)值計(jì)算模型能夠較真實(shí)地反映現(xiàn)場破壞特征，計(jì)算結(jié)果具有參考價(jià)值。

通過上述模擬，發(fā)現(xiàn)在戒臺寺古滑坡體高程340～400 m范圍內(nèi)地表開裂、崩塌災(zāi)害發(fā)育，裂縫最寬達(dá)到156 mm；深部巖體相對較穩(wěn)定，裂縫最寬僅有12 mm。但是考慮到戒臺寺古滑體340～400 m高程范圍內(nèi)分布有戒臺寺大雄寶殿、畫家院子和停車場，屬于人員和建筑物密集區(qū)，為了防止古滑坡體復(fù)活后造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，確定該區(qū)域?yàn)榛挛ｋU(xiǎn)區(qū)。

4 戒臺寺危險(xiǎn)區(qū)深部力學(xué)監(jiān)測

4.1 監(jiān)測點(diǎn)設(shè)計(jì)

2014年8月，依托北京市地質(zhì)災(zāi)害防治專項(xiàng)，采用中國礦業(yè)大學(xué)(北京)研發(fā)的深部滑動力遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，北京市地質(zhì)研究所在戒臺寺古滑坡體危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)(高程340～400 m)設(shè)置了6個(gè)測點(diǎn)，分別位于第三停車場加固擋墻底部，監(jiān)測點(diǎn)編號：NO.5和NO.6；畫家院子大門兩側(cè)的擋墻，監(jiān)測點(diǎn)編號：NO.3和NO.4；戒臺寺留學(xué)生林下方和戒臺寺大門108國道旁，監(jiān)測點(diǎn)編號：NO.1和NO.2，平面分布見圖4，斷面特征見圖10。

圖10 危險(xiǎn)區(qū)深部監(jiān)測點(diǎn)分布斷面圖Fig.10 Distribution section map of the deep monitoring points

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

經(jīng)過近11個(gè)月的連續(xù)監(jiān)測，獲得了上萬條監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖11)。由圖可得戒臺寺古滑坡體深部滑動特征如下：

圖11 監(jiān)測曲線Fig.11 Monitoring curves

(1)2014年10月—2015年8月，古滑坡體深部滑動力基本處于穩(wěn)定狀態(tài)；

(2)每年進(jìn)入凍融季節(jié)后(2—4月)，滑動力有緩慢上升趨勢，上升幅度10～40 kN，突變現(xiàn)象不顯著，因此，邊坡仍處于相對穩(wěn)定狀態(tài)；

(3)每年進(jìn)入雨季后(6—8月)，滑動力變化不顯著，說明古滑體深部裂縫并不發(fā)育，還未形成垂向水力聯(lián)系，降雨和淺層裂隙水對深部巖體強(qiáng)度影響不大，這和FDEM數(shù)值模擬結(jié)果較一致。

5 結(jié)論

(1)通過與現(xiàn)場破壞特征和實(shí)測位移數(shù)據(jù)對比分析，證明FDEM法在古滑坡體開裂、擴(kuò)展、貫通、脫離、滑移(或滾動)、碰撞和堆積全過程模擬方面具有可行性、準(zhǔn)確性和可靠性。

(2)經(jīng)過FDEM數(shù)值模擬計(jì)算，確定出戒臺寺古滑坡體第四系崩解、滑移現(xiàn)象主要發(fā)育于第四系分布較薄的Ⅲ級平臺和Ⅳ級平臺過渡部位，崩塌災(zāi)害主要發(fā)生在Ⅱ級平臺和Ⅲ級平臺交界處的陡崖部位，碰撞和堆積主要發(fā)生在4個(gè)平臺的坡腳處。

(3)由于監(jiān)測和加固成本高，耗時(shí)長，不可能大面積實(shí)施，也不符合滑坡地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急治理的需求。因此，可以借助FEDM法對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析，評價(jià)出災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)，為滑坡災(zāi)害監(jiān)測點(diǎn)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。FDEM法在戒臺寺古滑坡體穩(wěn)定性評價(jià)和分析領(lǐng)域的成功應(yīng)用，將為非連續(xù)方法研究類似邊坡開裂破壞提供借鑒。

致謝：項(xiàng)目得到深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京)何滿潮院士和馮吉利教授的大力支持，在此表示感謝！

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責(zé)任編輯：汪美華

Numerical modeling of cracking for the Jietai temple ancient landslidewith the combined finite-discrete element method

TAO Zhigang1,2, ZHANG Haijiang1,2,3,4, YIN Lijie1,2, HAN Wenshuai1,2,CHEN Yifan4

(1.StateKeyLaboratoryforGeomechanicsandDeepUndergroundEngineering,Beijing100083，China;2.SchoolofMechanicsandCivilEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing100083,China;3.SchoolofCivilEngineering,ShaoxingUniversity,Shaoxing,Zhejiang312099,China;4.CentreofRockMechanicsandGeologicalDisaster,ShaoxingUniversity,Shaoxing,Zhejiang312099,China)

The Jietai Temple ancient landslide body is located in the Ma’an Mountain area in the Mentougou district of Beijing. Slope rock mass fractures and broken structures developed because of the multiple tectonic movements in history and the weathered unloading, causing a severe localized slip. In 2005, comprehensive managements, including retaining anchor, flood control and grouting were performed on the Class-Ⅰ and Class-Ⅱ platform of the ancient landslide body. However, late in 2013, a multi-component fracture developed on the floor and back wall of the main hall of the temple, as well as in the rear garden, and collapse of the slope sediments appeared in Class-Ⅲ platform at the foot of the slope, which could be the resurrection sign of this ancient landslide. To explore the ancient landslide stability and protect the temple from the secondary damage, the mechanisms and failure characteristics of landslide deformation were studied. With the hybrid Finite Element-Discrete Element Method (FDEM), a numerical model for the ancient temple landslide was set up, and the simulation results with the live GPS monitoring surface displacement curves and the failure characteristics were analyzed. The FDEM numerical model can reproduce the whole process of the ancient landslide partial cracking, expansion, cut-through, separating, slipping (or rolling), collision and stacking. Finally, according to the results, the danger zone of the temple ancient landslide body was determined, and they provide scientific basis for field slope monitoring points design.

Jietaisi; FDEM; crack to failure; landslide simulation; deep mechanics monitoring

2016-06-21;

2016-10-27

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41502323)；浙江省山體地質(zhì)災(zāi)害防治協(xié)同創(chuàng)新中心開放基金項(xiàng)目(PCMGH-2016-z-02)

陶志剛(1981-)，男，講師，博士，主要從事巖體力學(xué)與工程災(zāi)害控制理論和教學(xué)工作。E-mail：taozhigang@263.net

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.03.16

P642.22

A

1000-3665(2017)03-0105-08