土石碎屑体稳定性离散元数值分析

梁 鑫，郑立宁

(1.广西工学院 土木建筑工程系，柳州 545006;2.西南交通大学 土木工程学院，成都 610031)

土石碎屑体稳定性离散元数值分析

梁 鑫1，郑立宁2

(1.广西工学院 土木建筑工程系，柳州 545006;2.西南交通大学 土木工程学院，成都 610031)

利用颗粒流离散元方法，对土石碎屑体在外界营力作用过程中的稳定性进行数值计算，重点分析了碎屑体在前期施工开挖无支护及后期支挡防护两种情况下的长期破坏模式，并对比了天然与暴雨作用下的差异。分析表明，颗粒流离散元方法能够全面模拟碎屑体的失稳、破坏及塌滑移动过程，且能够准确量化部分计算参数，为碎屑体的稳定性评价提供一种新的方法。

碎屑体 离散元 颗粒流 稳定性

在泥石流地质灾害中，松散的土石碎屑体为泥石流发展的主要物源，在外力松动后，暴雨作用下往往会产生极具破坏性的碎屑流或规模更大的泥石流作用。新建某高速铁路某拟建车站背靠一大型土石碎屑体发育区，施工开挖将产生局部扰动破坏，且暴雨作用下碎屑体有转化成碎屑流的危险，直接威胁初期开挖施工及后期铁路运营的安全。目前针对该类土石碎屑体还没有合理有效的稳定性计算方法，常规的方法依旧以传递系数法为主[1-4]。近年来少数学者[5-6]开展利用球体颗粒流离散元方法模拟土石碎屑流及泥石流的运动及破坏形式，但结合具体实际工程开展深入研究的并不多见。本文采用颗粒流离散元方法对该土石碎屑体在前期施工开挖、后期支挡防护，并考虑暴雨影响的安全稳定性进行深入分析，为现场设计施工提供合理的指导建议。

1 工程概况

该大型土石碎屑体发育于某拟建车站一侧山体中下部，整个山体高差70～80 m，坡度35～40°。坡体基岩为侏罗系上统凝灰岩，岩体较完整。土石碎屑体主要为第四系全新统坡崩积凝灰岩质碎块石土，碎块石粒径30～300 cm之间，充填约20%细粒物质(为全风化凝灰岩质砂及黏土)，层厚6～15 m不等。工程建设拟对该土石碎屑体中下部实施前期开挖施工和后期支挡防护。

2 颗粒流离散元理论

颗粒流离散元通过模拟圆形颗粒介质的运动及其相互作用来研究颗粒介质的特性，通过一种非连续的数值方法来解决含有复杂变形模式的实际问题。把材料的力学响应问题从物理域映射到数学领域内进行数值求解[7]。颗粒流离散元理论基于以下假设:①颗粒单元为刚性体;②接触发生在很小的范围内，即点接触;③接触特性为柔性接触，接触处允许有一定的“重叠”量，量的大小与接触力有关，与颗粒大小相比，“重叠”量很小;④接触处有特殊的连接强度;⑤颗粒单元为圆盘形。该理论的接触本构模型包括接触刚度模型、库仑滑块模型和连接模型。其中，接触刚度模型分为线弹性模型和非线形Hertz-Mindlin模型;连接模型分为接触连接模型和并行连接模型，接触连接模型仅能传递作用力，并行连接模型可以承受作用力和力矩。

3 模型的建立和参数设置

3.1 模型的建立

选取DK187+145横断面为计算断面，坡体坡度介于 32°～39°之间，坡高 78.4 m，坡长 129.6 m，土石碎屑体厚度6～9 m不等。模型中将坡体分成基岩与土石碎屑体两部分，利用基岩面将两部分分开，设定运算过程中基岩保持稳定仅表层碎屑体运动，利用wall命令建立基岩界面且运算过程中始终保持位移为零。经现场详细调查结合室内试验分析确定，土石碎屑体物质组成为粒径2～30 mm细粒颗粒、粒径60～120 mm角砾及粒径200～260 mm块石及少部分粒径大于1 000 mm滚石。故模型中采用离散颗粒粒径2～30 mm、60～120 mm、200～260 mm 及少部分1 000～1 400 mm，4个粒级范围划分离散单元，模型共划分2 651个球形颗粒单元，见图1(a)。考虑易于监测碎屑体塌滑破坏过程，将其按10 m间隔设置彩色条带分区，施工开挖运算中模拟一次性开挖区为碎屑体中下部颗粒，最大开挖深度7.93 m，共开挖(delete)513个颗粒单元，见图1(b)。后期支挡防护考虑路基堆载效应及防护支挡结构作用效果，共填筑路基6.5 m，布设支挡结构高出地面4.92 m，模型共增加892个单元，见图1(c)。

3.2 模型参数设置

基于现场详勘及室内试验分析，确定不同单元类型的物理属性参数如表1所示。

4 开挖失稳破坏分析

图1 颗粒流离散元计算模型

开挖失稳破坏计算考虑天然状态及暴雨状态两种工况模式，开挖均为一次性整体无支护开挖。结合室内试验及模型落门试验[3]，暴雨工况中考虑碎屑体颗粒黏结强度参数折减22%，摩擦系数折减20%。开挖破坏稳定后碎屑体形态见图2。

由图2可见，天然状态下开挖后，碎屑体中上部产生牵引式塌滑失稳。失稳范围自开挖区至坡顶，塌滑体厚4～6 m，失稳后堆积于开挖区，坡度达到33°时塌滑体趋于稳定。碎屑体塌滑位移坡面处最大，向内递减，平均位移35.49 m，最大位移87.20 m。可见天然施工开挖长时间无支护作用，会导致碎屑体中上部产生渐进式塌滑失稳，且使坡顶局部大粒径滚石向下崩落。考虑暴雨工况作用后，上部塌滑体范围持续扩大，坡体顶部塌滑厚度增至6～7 m，碎块石土体基本全部塌滑。滑体堆积于开挖区及坡体中下部，坡度达到27°时趋于稳定。碎屑体颗粒平均位移达51.3 m，较天然工况增加44.54%;最大位移达98.3 m，较天然工况增加12.72%。暴雨作用不仅增加了碎屑体的塌滑规模，而且造成了大量大粒径滚石的崩落。

图2 无支护开挖破坏稳定后碎屑体形态

5 支挡防护设置分析

支挡防护作用是保证铁路长期安全运营的重要手段，针对该碎屑体重点考虑支挡抗滑力及防护设计高度。天然及暴雨两种工况下支挡防护后碎屑体长期失稳破坏形态见图3。

由图3可见，天然工况下碎屑体经支挡防护后，在长期发展过程中，碎屑体仅产生局部溜滑，溜滑范围主要集中在距坡顶10 m处左右，溜滑体厚2～3 m，主要堆积于支挡结构前，以大块石及漂石为主，当坡度达到33°时趋于稳定。暴雨工况下碎屑体上部塌滑范围进一步扩大，坡顶30～40 m范围内坡体近乎整体塌滑，塌滑体最厚处达6 m，坡度达到27°趋于稳定。塌滑体集中滑塌至坡体中下部支挡结构处，支挡结构前已堆满塌滑体，且有少量大粒径滚石越过支挡结构顶端落入路基面，对线路安全造成一定影响。

对模型抗滑支挡结构利用颗粒流离散元自带的fish语言编写程序，记录 X方向下滑力合力的变化。由记录结果可知，天然工况下下滑力合力约3.2×106N，暴雨工况下下滑力合力约4.2×106N，暴雨工况下下滑力合力增加近30%。由图3b可知，目前布设支挡结构高出地面4.92 m，但仍难以有效阻挡部分大粒径滚石逾越至铁路线路，故目前设计的支挡结构高度仍需加高，高出地面6 m以上较为合适。

图3 支挡防护后碎屑体长期失稳破坏形态

6 结论

颗粒流离散元方法适用于土石碎屑体的稳定性分析，不仅在碎屑体的失稳破坏形态上，且在碎屑体与结构物作用方面都可以全过程模拟。该方法突破以往连续性有限元方法无法准确模拟散粒体的不足，可以全面考虑各计算单元的属性差异。从目前的分析结果显示，该方法为土石碎屑体的稳定性分析提供一种全新有效的途径。

[1]巨能攀，何兴江.煤矸石堆积体稳定性及灾害防治对策研究[J].地质与勘探，2010，46(1):142-146.

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U213.1+3

B

1003-1995(2011)02-0091-03

2010-08-23;

2010-09-08

广西教育厅科研项目(项目编号:200808LX348);广西工学院硕士基金(项目编号:500554)

梁鑫(1979— )，男，广西柳州人，讲师，硕士。

(责任审编 葛全红)