崩塌体对构筑物的冲击分析★

孙新坡 廖卫东

(西南科技大学土建学院，四川 绵阳 621010)



崩塌体对构筑物的冲击分析★

孙新坡 廖卫东

(西南科技大学土建学院，四川 绵阳 621010)

用离散元法(DEM)进行了一系列数值模拟试验，模拟不同参数(内摩擦角，缓冲区长度，圆柱形结构物直径)的崩塌体在滑道上滑下与坡底前的圆形构筑物作用，再现了崩塌运动—堆积过程，揭示了崩塌对沿程工程结构的冲击机理，为潜在崩塌危害区域预测和防治提供理论支持。

崩塌，离散元法，构筑物，堆积

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，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。

斜坡几何参数、缓冲区长度、颗粒体高度、圆柱半径见表1。

表1 数值模拟采用的几何和材料参数

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著的影响，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。

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

[2]Hungr,O.A model for the runout analysis of rapid flow slides, debris flows,and avalanches.Canadian Geotechnical Journal,1995(32)：610-623.

[3]Chiou,M.C.,Wang,Y.,Hutter,K.Influence of obstacles on rapidgranular flows.Acta Mech,2005(175)：105-122.

[4]Harald Teufelsbauer,Y.Wang,M.C.Chiou.Flow-obstacle interaction in rapid granular avalanches:DEM simulation and comparison with experiment.Granular Matter,2009(15):209-220.

[5]Emmanuel Thibert,Djebar Baroudi,Ali Limam,et al.Avalanche impact pressure on an instrumented structure.Cold Regions Science and Technology,2008(23):206-215.

[6]何思明,吴 永,李新坡.强震荷载下裂缝岩体拉剪破坏机理.工程力学,2012,29(4):178-184.

[7]裴向军,黄润秋,李世贵.强震崩塌岩体冲击桥墩动力响应研究.岩石力学与工程学报,2011,30(9):3995- 4001.

[8]冀巧心.柔性防护网技术在整治山体崩塌落石中的应用.山西建筑,2013,39(17):121-122.

On impact analysis of rock fall hazardous mass on structures★

Sun Xinpo Liao Weidong

(CivilEngineeringCollege,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010,China)

The paper undertakes a series of numeric simulation test with the Discrete Element Method(DEM), simulates various parameter of rock fall hazardous mass including internal friction, buffer length, and diameter of cylindrical structures on the circular structures in its sliding along sliding ways and before the slope bottoms, displays the collapsing movement and accumulation process, and reveals the impact mechanism of the collapse on surrounding engineering structures, provide some theoretic support for the prevention and prediction of the fall hazardous areas.

fall, DEM, structure, accumulation

1009-6825(2015)01-0059-03

2014-10-30 ★：国家自然科学基金资助项目(项目编号：41472325);西南科技大学博士基金项目(项目编号：12zx7124)

孙新坡(1978- )，男，博士，讲师； 廖卫东(1972- )，男，硕士，高级工程师

P694

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