非连续变形分析方法及其在灾害防治研究中的应用

赵兴权, 张迎宾, 陈光齐,余鹏程, 黄小福, 陈岩岩

(1. 西南交通大学土木工程学院, 四川 成都 610031; 2. 九州大学土木建筑工程学院, 日本 福冈 819-0395)

非连续变形分析方法及其在灾害防治研究中的应用

赵兴权1, 张迎宾1, 陈光齐2,余鹏程1, 黄小福1, 陈岩岩1

(1. 西南交通大学土木工程学院, 四川 成都 610031; 2. 九州大学土木建筑工程学院, 日本 福冈 819-0395)

为了探究地震诱发地质灾害的特征,用非连续变形分析方法(DDA, discontinuous deformation analysis)模拟了地震诱发崩塌、滑坡和防浪堤破坏的过程,着重探讨了地震对灾害发生过程及其运动能力的影响.在DDA程序中,整合了灾害冲击力的计算,结果表明:DDA方法可以计算滑体在地震作用下的运动情况;竖向地震动能够显著增强近断层极震区滑坡的运动能力,可以很好地模拟地震诱发灾害的全过程, 真实反应出危岩崩塌体、滑坡、防浪堤坝的破坏特征,能够计算运动物体对既有建筑物的冲击力,冲击力的最大值远远超过了静态侧压力值;文中算例结果显示最大冲击力是静态侧压力的4倍多，该成果可为灾害防护建筑物的选址、设计等从可靠和经济的角度提供技术指导.

DDA;地震;地质灾害;灾害防治

由于复杂的地质作用,地壳(尤其是地表建筑基础层)岩土体产生了尺度、方向、性质均不相同的裂隙,使建筑岩土基础变成了复杂的块体系统.块体系统中复杂的裂隙结构控制着岩土体的力学性质和整个基础的工程行为,复杂的裂隙以及被切割而成的岩土块体特征往往直接影响着岩土体的整体强度,进而影响着整个岩土体结构的变形、稳定性和破坏后的运动特征.同时,当地震荷载作用在岩土体结构上时,也会使原本连续的整体结构产生一些裂缝,形成块体系统.这些直接影响系统稳定性的非连续裂缝成为了工程设计中务必考虑的因素.然而,裂缝的存在产生了非连续的速度和位移场,这给工程实践中广泛使用的解析方法和普遍使用的连续数值模拟方法带来了非常大的困难.针对这个问题,非连续的数值模拟方法应运而生.其中,富有代表性的非连续变形分析(discontinuous deformation analysis, DDA)方法是石根华[1]提出的解决此类离散结构系统(如岩体结构等)动态问题的有效方法,该方法最初的版本是二维DDA,之后三维DDA问世.自从DDA方法和数值代码问世以来,该方法受到了研究者和工程师们的广泛关注.学者们对初始DDA方法中的一些局限性进行了修正和扩展[2-9],使其在落石[10-13]、滑坡[14-22]、隧道[23-25]、爆破[26-28]、动力块体[29-33]和其他工程应用[34-38]实践中更加有效、实用.

DDA方法也应用于很多大型工程实践中,如,中国的三峡工程[39-40]、美国科罗拉多Pueblo大坝[41]、美国圣弗朗西斯科Yerba Buena隧道[42]、挪威Gjovik奥林匹克洞[43]、以色列Masada国家纪念碑[44-45]等.

西南交通大学地震岩土工程研究组致力于地震诱发地质灾害的全过程分析,以地震诱发滑坡为例,有两个核心问题需要解决:一是地震荷载下,边坡是否失稳以及动力响应[46],即地震边坡稳定性分析问题;二是边坡失稳形成滑坡后,如何运动的问题,即地震诱发滑坡的运动性分析问题.地震荷载作用下,岩土体结构尤其是由不连续界面控制其稳定性的岩石类结构,一般较为容易受到破坏,其破坏后的运动特性往往表现出很大的离散性.解决此类问题,DDA较之其他方法,具有明显的优势.本课题组将DDA方法应用于地震诱发地质灾害的上述两个核心问题的研究中.本文首先简要介绍DDA方法的基本原理,然后利用DDA方法进行地震边坡稳定性、地震滑坡(包括危岩崩塌体)的运动特性、地震滑坡对既有建筑物的冲击作用及海啸作用下防浪堤的破坏等的分析,最后,对应用DDA方法进行地震诱发滑坡从变形、失稳、破坏、运动、堆积全过程进行数值模拟的可能性进行展望和讨论.

1 DDA方法概述

1.1 DDA基本原理

DDA方法基于块体理论建立平衡方程,块体的几何形状没有特殊的限制,可是任意形状,其中每一个块体可以独立移动和变形,块体之间的相互作用通过接触弹簧来实现,块体之间能够实现分离和接触,相互作用时严格遵守“不嵌入、不张拉”原则.

对于一个二维问题,任意形状的每一个块体拥有6个自由度,其中, 3个是刚体位移变量, 3个为应变常量,因此,第i块的变形为

Di=[u0v0r0εxεyγxy]T,

(1)

式中:

(u0,v0)为块体内指定点(x0,y0)的刚体位移;

r0为以(x0,y0)为转动中心的块体的转角;

εx、εy、γxy为块体的x、y方向正应变和剪应变.

块体中任意一点(x,y)的位移(u,v)为

(2)

(3)

式中:

Ti为位移变换矩阵.

DDA方法中,各个块体是相互连接的,n个单独的块体单元连通过边界条件和接触条件后的总体方程为

(4)

式中:Kij为6×6的总体刚度矩阵(因为每个块体有6个自由度);Di为6×1的总体位移矩阵,其具体表达式如式(1)所示; [Fi]为6×1的总体荷载矩阵.

DDA是一种完全动力的分析方法,求解方程(4)后,得出每一个块体的实时位移和变形,根据块体间“不嵌入、不张拉”原则,重新调整形成新的总体刚度矩阵,进行下一步的计算.通过不断的修正迭代计算,直至计算完成.

2 DDA在地震诱发地质灾害中的应用

我国是一个地震频发的国家,每年由地震造成的人员伤亡及经济损失都非常严重，尤其在西南山区,往往造成巨大损失的是由地震引发的地质灾害.据殷跃平等[47]的统计,仅汶川地震中造成的地质灾害达15 000多处,多以崩塌、滑坡、泥石流为主,而且,地震也往往导致交通桥梁、隧道等因位移、变形过大而遭到破坏,堵塞交通.因此,对于地震造成的各类地质灾害问题亟待研究, DDA方法尤其适合解决此类问题(如图1).

图1 地质灾害的DDA分析结果Fig.1 DDA results of geological disaster

2.1 近断层地震对大型滑坡的影响[22]

汶川地震[48]造成了许多大型滑坡,其中,大光包滑坡是此类滑坡的典型代表.就大光包滑坡而言,滑动距离4.5 km,堆积体宽度2.2 km,滑坡-碎屑流面积约10 km2,估算体积约7.5亿km3,由滑坡堆积体形成的堰塞坝高达690 m,大光包滑坡规模巨大,是近断层地震滑坡的典型,此类滑坡滑移距离远,滑动能力强,造成危害巨大,因此,从汶川地震后,对此类滑坡的研究也越来越多.结合此类滑坡的特征,利用DDA方法分析其运动特性及堆积特征等,对于居民区修建避开此类滑坡具有指导意义.

大光包滑坡从地质结构来看,是典型的顺层滑坡[22].距离断层位置近(约6.5 km)和规模巨大(约8×105km3)是其突出特征.近断层极震区的位置意味着大光包斜坡受到强烈的竖向地震动作用,巨大的规模则要求考虑尺寸效应.因此,在用DDA方法对大光包滑坡模拟时,必须考虑以上因素.对于近断层因素,通过改进的地震波输入方法输入多向地震荷载来解决这个问题;对于效应因素,依据虎克-布朗破坏准则来反分析材料强度以考虑滑坡的尺寸效应.

根据黄润秋等[49-51]的地质调查结果,大光包滑坡前后的二维地质模型如图2所示, DDA方法对大光包滑坡的模拟可以采用简化的模型如图3所示.DDA方法中的地震荷载输入方式[52]包括加速度时程输入、速度时程输入和位移时程输入.选择加速度时程输入作为本次地震荷载输入方式,具体是将加速度荷载当作体积力施加到基岩上.

图2 汶川地震后大光包滑坡发生前后地形横截面图Fig.2 Cross-sections of the Daguangbao landslide before and after Wenchuan earthquake

图3 大光包滑坡的DDA模型Fig.3 DDA model of the Daguangbao landslide

计算中各材料物理参数、模型控制参数如表1、2所示.基岩材料经分析,其密度及重度取如表1中虚拟值较为符合实际[22],如没有特别说明,本文中基岩密度及重度均为虚拟值.

DDA模拟大光包滑坡的全过程如图4所示.对于一个潜在滑坡的动力行为的估计对减少滑坡灾害具有非常重要的意义,尤其滑坡的运动距离是风险评估和防护措施设计的重要参数.超远距离滑移是大多数地震诱发的大型滑坡的特点,许多学者都致力于研究滑坡远距离滑移的机理.但是,考虑到地震滑坡是一个动力问题,潜在滑坡在初始阶段及破坏运动阶段都受到复杂的多向地震荷载作用,因此,对于地震诱发的超远距离滑坡的数值模拟显得尤为迫切.

表1 物理参数Tab.1 Physical parameters of materials

表2 控制参数Tab.2 Control parameters

为了验证地震作用对滑坡运动距离的影响,同时分析了静态、仅水平地震动、水平地震动和竖向地震动耦合3种情形时的结果.静态情形即自然状态时,大光包斜坡保持稳定,仅在上部产生一定的变形,仅有水平地震荷载时,滑坡前缘移动距离为944 m,当水平地震荷载和竖向地震荷载同时施加到模型上时,滑坡前缘移动距离为1 901 m,此时,堆积形态与实际状况吻合.由此可以得出,对于近断层滑坡,竖向地震动有显著的影响.同时,通过对粘聚力及内摩擦角对于滑坡运动的敏感性分析结果显示,粘聚力的取值对滑坡运动特性的影响较小,而内摩擦角的取值明显影响着滑坡的运动特性.

由以上分析结果可以看出,对大光包滑坡的DDA模拟能够很好的再现大光包滑坡启动、滑移及最后堆积的全过程,同时也证实了处于近断层极震区的滑坡,其滑移距离远,造成的危害也大,这对于类似问题的分析有着很好的借鉴,通过DDA方法,也可以对一些类似的潜在滑坡进行危险性评估和设计一些防护措施.

图4 DDA模拟大光包滑坡全过程Fig.4 Whole processes of DDA simulation of the daguangbao landslide

2.2 地震诱发危岩崩塌的运动特性研究

危岩是指位于陡峭山坡边缘被岩体结构面切割的岩石块体,经由重力、地震、风、裂隙水压力等荷载作用下,容易沿着山体滚落.危岩脱离母岩向下滚落的过程中,其运动形式复杂,轨迹因在下落过程中多次与山体碰撞而难以确定.虽然其规模不大,但由于具有高速运动的特性,对其影响范围内的建筑物造成很大的损害.地震荷载是造成危岩崩塌的最常见因素之一,地震不仅直接引起危岩体崩塌,其强烈的荷载作用常常能引起裂隙扩张,增加危岩崩塌隐患.因此,研究地震荷载对于危岩崩塌破坏的影响,是目前关于此类灾害问题的研究热点[53].本团队对此进行了一些初步研究，部分成果已录用待刊,部分研究成果如下.

建立如图5所示的概念危岩,研究不同的荷载组合及不同的地震波输入方式对于危岩崩塌体运动特性的影响,确定地震荷载对于危岩运动特性的促进程度,这将会对地震危岩崩塌灾害的防治提供指导意见.

DDA计算中,地震荷载的作用是通过将加速度以体积力的方式施加到基岩上来实现的.计算中参数取值如表3～5所示.

图5 概念危岩Fig.5 The assumed perilous rock

项目数值单步允许最大位移率0.001时间步/s0.001弹簧刚度/Pa4×1011超松弛系数1.3时步数7×104

建立如下4种工况来分析危岩在地震工况和非地震工况下的动力效应:

GK1(工况1):天然工况(无地震波);

GK2(工况2):水平地震波;

GK3(工况3):竖向地震波;

GK4(工况4):水平地震波、竖向地震波耦合作用.

表4 模型物理参数Tab.4 Model material parameters

表5 模型节理参数Tab.5 Model joint parameters

研究结果表明,在天然工况下,危岩只受重力作用,只是存在一定的变形,危岩整体能够保持稳定.3种地震工况下,危岩崩塌破坏过程如图6所示.

尽管3种地震波输入方式不同,危岩的破坏方式均是倾倒破坏.根据运动特点,危岩在3种不同的工况下,从稳定状态到最终破坏的变化过程可分为3个阶段:裂隙扩张贯通及危岩倾倒阶段、抛射阶段、停积阶段.为了解3种地震波输入方式对危岩破坏后运动特性的影响,各工况下块体的位移如表6所示.

图6 不同地震工况下危岩崩塌破坏过程Fig.6 Perilous rock failure processes under different seismic excitations

项目GK2GK3GK4(GK4-GK2GK2)/%(GK4-GK3GK3)/%(GK3-GK2GK2)/%脱离母岩时间/s26.1033.2622.60-13.4-32.12.7崩塌块体最大水平位移/m684.53699.70826.0820.618.12.2崩塌块体平均水平位移/m189.93204.64205.908.40.67.7崩塌块体最大位移比2.892.963.5121.518.62.4崩塌块体最小位移比0.680.690.714.42.92.9崩塌块体平均位移比1.011.071.086.90.95.9

注: 位移比为某块体的最终水平位移/最终竖向位移;最大位移比为所有崩塌块体最终水平位移与最终竖向位移之比的最大值;最小位移比为所有崩塌块体最终水平位移与最终竖向位移之比的最小值;平均位移比为所有崩塌块体最终水平位移与最终竖向位移之比平均值.

3种地震工况下崩塌块体位移比分别为1.01、1.07、1.10,明显大于非地震条件下的0.50[54],由此可以得出,地震荷载不仅直接诱发危岩崩塌破坏的发生,而且对危岩崩塌体的运动距离有促进作用.

观察图6不同地震工况下危岩崩塌体运动的全过程,发现在3种不同地震工况下,工况4无论是脱离母岩破坏时间,停积时间,还是块体的最大水平位移、平均水平位移较之工况2、3均更加显著.工况4下块体的最大水平位移较之工况2、3分别增大20.6%和18.1%,平均水平位移较工况2、3分别增大8.4%和0.6%.

另外,无论是块体最大位移比、最小位移比还是平均位移比,工况4的数值都是最大的,由此可见危岩在工况4最容易发生破坏,破坏后崩塌块体的影响范围最大,可能的危害程度最高,是最值得注意的情况.

对比工况2、3可以明显的发现,工况3较之工况2,块体的最大水平位移和平均水平位移分别增大了2.2%和 7.7%,其他包括最大位移比、最小位移比、平均位移比都增加了,可见在某些情况下竖向地震荷载对崩塌块体的影响程度大于水平向地震荷载对其的影响程度.其他学者对于此问题也有相同的发现[55],这种情况在汶川地震中尤为突出.因此,在抗震的防治措施中,应当给予竖向地震动足够的重视,只有这样才能有效达到抗震设防和灾害防治的目的.

由此例的分析过程可知,DDA方法适合研究危岩崩塌体的运动特性.通过研究发现,地震不仅引起危岩崩塌的发生,而且对于其运动距离具有显著影响,并且在此例中,竖向地震动的影响要比水平地震动的影响更为显著,这应该引起工程设计人员的注意.

2.3 对地震诱发滑坡的运动过程的模拟

地震发生时常常伴随着大量滑坡等地质灾害的产生,这些地质灾害对民居、交通等造成了很大的破坏[56-57].自有记录以来,许多由地震诱发的滑坡给人民的生命和财产带来了巨大的损失.2008年,汶川大地震总共诱发了60 100余处滑坡,这些滑坡直接造成了超过20 000多人死亡[58],同时其造成的财产损失占到总损失的三分之一以上.弄清地震诱发滑坡的运动特性,测算滑坡的运动距离和范围,对于地震滑坡灾害的防治工作有重大意义.

现有的研究中,对于地震诱发的大型滑坡的远程运动现象,大多采用强度折减模型来完成,很少有考虑到滑坡运动过程中地震荷载与滑坡的相互作用.通过研究地震荷载与滑坡的相互作用,提出MAM(复合加速度模型)[52,59]进行数值模拟.以发生在汶川地震中的东河口大型滑坡为例,根据其离散性和大位移等特点,利用DDA再现了东河口滑坡的运动过程,合理的解释了其远程运动特性[52]. DDA模拟东河口滑坡的计算中模型参数取值如下表7、8所示.

为了对比是否需要考虑地震荷载与滑坡在运动过程中相互作用,建立了两个模型.未考虑相互作用的静态DDA模型和考虑相互作用的复合加速度动态DDA模型.图7分别记录了不同时刻两个模型中滑坡的运动形态.

表7 模型物理参数Tab.7 Model material parameters

表8 模型控制参数Tab.8 Model control parameters

对比模型的计算结果和灾后东河口地形图可以发现:考虑了地震荷载与滑坡相互作用的模型的计算结果中,其岩土体材料堆积形态与灾后地形基本一致;未考虑相互作用的模型计算结果与实际情况相差较大.此模拟结果也证明了考虑了蹦床效应的复合加速度模型在模拟地震荷载与滑坡相互作用领域的适用性.同时,也用实例论证了DDA模拟地震诱发滑坡的运动过程的可行性.

2.4 地质灾害对既有建筑物的冲击力

DDA方法在处理非连续大位移问题上表现出极大的优势,将块体位移不变量作为基本未知量,利用接触弹簧假定处理块体之间的相互作用,并应用最小势能原理列出系统平衡方程,方程的解即为系统的位移增量.这种方法有着严密的数学基础及完备的能量守恒,可以完整地分析块体运动情况,特别适合岩体滑坡的计算.由于DDA方法的基本未知量形式及方程的建立方式,在以往的DDA研究及应用中,主要偏向于系统运动特征的描述,如落石的运动距离,滑坡的持续时间和滑体的堆积形状等.而对于系统的力学特征,如落石对基岩的作用、滑体对下游结构的冲击力并不常涉及.在实际问题中,研究对象的力学参数,往往与其运动特征同等重要[60].例如,在研究滑体对下游结构的作用时,如果能得出滑体对结构的冲击力大小随时间的变化曲线,则可以得出结构受到的外界作用力,这对防治由地质灾害对民居以及公共设施的破坏[61]等具有很好的指导.

(a)未考虑MAM相互作用(静态)(b)考虑MAM相互作用(动态)图7 东河口滑坡DDA模拟结果Fig.7 DDAsimulationresultsoftheDonghekoulandslide

DDA方法已经可以模拟块体系统任意时刻的运动情况.在系统运动已知的情况下,系统中存在的作用力也可以唯一确定.但是,整个系统的受力情况是复杂耦合的,要得到某些块体间的相互作用力,最主要的任务是在系统中存在的所有力中识别出这些块体间作用力,并以适当的方式处理和累加.DDA方法在求解整体平衡方程后,通过已解出的基本未知量可以反推块体受力情况,但此时只能得到作用在块体形心上的合力.事实上,即使是两个块体之间的作用力,也可能处于不同的位置.如果需要研究位于某条边上的作用力,则需要对两块体间的作用力进一步识别.

通过分析DDA方法基本理论,不难发现,在不考虑锚杆连接的情况下,块体之间的相互作用力全部来源于块体间的由接触弹簧带来的接触弹簧力和摩擦力.对于碰撞过程,摩擦力相对较小,可以忽略不计.因此,分析当前系统存在的所有接触力,即可得到指定块体间的作用力.通过在DDA程序中插入代码,可以获得接触力的所有属性.若需要得出其他块体对某个目标块体指定边的作用力,则要求筛选出所有包含其他块体和目标块体指定边的所有接触,并按照方向累加.在摩擦力不可忽略的情况下,则还应将摩擦力纳入.在此基础上编写程序,便可以得出目标块体指定边受到其他块体的作用力.图8、9是块体作用力研究的应用模型，该滑坡基于东河口滑坡相关资料,研究对象是处于滑坡下游的结构物.

(a) 滑坡发生前

(b) 滑坡发生后图8 冲击力研究模型(单位： m)Fig.8 The model of impact research (unit: m)

拓展的DDA程序在处理大量块体对结构冲击作用时有着独特的优势,但仍有部分问题需要引起注意.程序中接触弹簧刚度的数值会影响接触力的大小和整个碰撞持续时间.对于已知材质的块体,在固定碰撞速度下的碰撞时间是可以测得的，认为碰撞时满足弹性碰撞,如果需要取得较为精确的碰撞力,可以通过碰撞时间反推接触弹簧刚度,从而确定碰撞过程和任意时刻的冲击力大小.另外,在特定条件下,块体受到的冲击力可能被重复计算导致结果比实际情况偏大.这一方面是因为DDA在处理边-边接触时,将其分解为两个角与边接触,另一方面是因为目标块体和冲击块体共节点.为了避免这种情况,只需在模型建立时注意即可.

图9 块体对结构不同边的作用力Fig.9 The impact of different edge of structure by blocks

2.5 利用DDA对防浪堤进行破坏过程模拟[62-63]

防浪堤是一种常见的海岸水工构筑物,主要起消浪减流的作用,可以保护沿海地区海岸、港口及其他建筑物免受海浪侵蚀和破坏.在实际工程中,防浪堤的稳定性是一项重要的设计内容.在科研领域,国内外许多学者对防浪堤的稳定性分析方法进行了大量的研究,并取得了一定的成果.然而,在2011年,因日本东北大地震(震级9.0级)产生的巨大海啸,破坏了位于日本釜石市某海湾中一条沉箱型混合式防浪堤.目前,结合其实际破坏过程,已有的各种防浪堤破坏模型尚无法解释该防浪堤的破坏机理.陈光齐、张迎宾[62-63]等提出了由管涌现象产生的局部破坏模型,利用DDA方法,并结合模型试验再现了该防浪堤的破坏过程,提供了一种新的防浪堤的稳定性分析方法.

该防浪堤上部是方形混凝土结构,内部渗透系数小,可忽略渗流作用，下部由堆石斜坡堤作为基础,称毛石基础,渗透系数较大.防浪堤的具体尺寸参数见图10.DDA计算中模型各参数的取值见表9.与以往海啸不同,此次海啸产生的风浪周期很长,由几分钟到以小时计不等.结合该防浪堤的结构特点及工况建立了管涌局部破坏模型(图10).

图10 釜石市防浪堤模型(单位: m)Fig.10 Model of the breakwater in Kamaishi (unit: m)

项目滑体密度ρ/(kg·m-3)2000重度wy/(kN·m-3)20弹性模量E/GPa1.0泊松柏ν0.2内摩擦角φ/(°)35粘聚力c/MPa0弹簧刚度/Pa1.0×108时间步/s0.001

较长的风浪周期使得防浪堤两侧在较长时间内保持了相近的水力梯度值,视为一常量.在该时间段内,毛石基础内部的渗流可看作是稳定渗流过程,渗透压力被视为拟静力作用在DDA块体上.在该水力耦合模型中,渗透压力通过以下3步导入: (1) 利用有限元计算出在稳定渗流情况下,该模型上任一点横向与纵向水压; (2) 导出有限元网格上每一节点上的水头及相应的节点坐标; (3) 建立一个覆盖毛石基础且网格大小合适的网络,结合第二步导出的水头值,利用Kriging插值法,计算出该网格上每个网点上的水头值,如图11所示.

图11 DDA模型上水头网格分布Fig.11 DDA model simulate experiment model and water pressure field definition

为了验证该破坏模型的合理性,以实际过程中出现的最大水头差为例，再现了防浪堤由稳定到发生局部破坏,最后出现整体失稳的整个过程,如图12所示.

从图12(a)～(c)可知,在靠近港口一侧,与沉箱型堤棱角接触处的毛石基础上出现了明显的管涌现象,然后导致发生基础局部失稳,最后出现防浪堤的整体失稳.在利用DDA方法分析的同时，为了更好地了解防浪堤的实际破坏过程，在前期工作中，根据实际建造的防浪堤情况建立了实验模型，通过实验成功地再现了防浪堤的破坏过程,如图13所示[64].与DDA分析的结果相对比,发现DDA模拟过程可以真实地反应管涌破坏的过程,同时从侧面也证实了DDA在解决非连续性较强的工程问题的优越性.

(a)

(b)

(c) 图12 防浪堤的破坏模拟过程Fig.12 Failure process of the breakwater

图13 渗流引起管涌破坏的实际过程Fig.13 The local failure due to piping induced by seepage flow

较长的风浪周期导致防浪堤于较长时间内在靠近外海一侧和靠近港口一侧形成了很大的水头差.同时又因为毛石基础的透水性较强及其材料结构较为松散的性质,使得毛石基础由于较大的渗透压力率先发生局部破坏,达到一定程度后,进而发生了包括混凝土沉箱结构在内的整体破坏.利用DDA模拟防浪堤的破坏过程,使得毛石基础的离散性得到了充分地体现,完整的模拟出了毛石基础由局部石块发生较大位移而产生局部破坏.这是其他有限元方法无法准确做到的.

3 结 论

岩土工程问题,尤其是由不连续结构面即节理控制其变化的岩体结构材料,如若根据以往的连续性手段分析,往往因为不能很好的模拟出其离散的性质,分析过程受到了很多限制,也经常得不到符合实际的结论.非连续变形分析方法(DDA)的出现很好的解决了这个问题,随着DDA方法本身的不断改进及发展,越来越多的研究者将其运用于解决各类岩土问题中.本文主要通过讲述几个本团队近年来利用DDA解决地震岩土工程问题的实例,来进一步的扩展DDA方法的工程应用,并根据上述分析,得出如下几点结论:

(1) DDA方法可以很好地模拟地震导致灾害的全过程,真实地反应出危岩崩塌体、滑坡、防浪堤坝的破坏特征;

(2) 处在近断层极震区的滑坡,竖向地震动能够显著的增强滑坡的运动特性,这类滑坡的远距离滑移往往受多个方向地震动耦合作用的影响.改进的DDA方法具有输入不同地震荷载组合的优势,能够很好的分析这类问题;

(3) DDA方法具有分析由稳定阶段到破坏阶段全过程的能力,能够反映出不连续结构面从局部破坏逐渐蔓延至全局破坏的过程,通过对此过程的细化分析,准确把握结构的破坏机理,以此为依据,可以提供可靠的改善方案;

(4) 改进的DDA方法能够计算各类地质灾害对于防护建筑物的冲击力,利用求得的冲击力的大小修建符合实际的防护支档结构,指导工程设计人员设计各类防护措施具有重要的意义.

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赵兴权(1958—),博士,2011年起至今任职于西南交通大学,现为土木工程学院教授,博士生导师.主要研究方向为复杂地区地震动衰减关系、地震场地及地貌效应与特殊结构地震反应、地震动特性对结构反应的影响、地震作用下高铁列车安全运营.2011年获中组部“千人计划”和四川省“百人计划”特聘专家(全职).在国际重要刊物和重要国际会议上累计发表论文80余篇,国际一流SCI收录论文30余篇,主持多项重大国际项目.提出了国际认同的地震动衰减模型,并被美国、日本、欧洲、加勒比海、东南亚和南太平洋等多个国家和地区广泛应用.

E-mail: johnzhao1000@126.com

张迎宾(1983—),博士,2013年起至今任职于西南交通大学，现为土木工程学院副教授、硕士生导师.主要研究方向为DDA、NMM程序开发和应用、地震边(滑)坡破坏机制及运动特征、二维及三维边坡稳定性分析方法、岩土工程极限分析.发表学术论文60余篇,其中，SCI收录21篇,EI收录36篇,包括在岩土工程领域国际权威期刊CGJ、ENGEO、IJRMMS、SODYN、COGE等发表的论文.主持多项国家、省部级科研项目.担任10余本岩土工程领域知名SCI期刊的审稿人.

E-mail: yingbinz516@126.com

(中文编辑:秦 瑜 英文编辑:兰俊思)

Discontinuous Deformation Analysis Method and Its Applications to Disaster Prevention

ZHAOXingquan1,ZHANGYingbin1,CHENGuangqi2,YUPengcheng1,HUAGNXiaofu1,CHENYanyan1

(1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Department of Civil and Structure Engineering, Kyushu University, Fukuoka 819-0395, Japan )

In order to explore the characteristics of geological hazards induced by earthquake, the discontinuous deformation analysis (DDA) was used to simulate the failure processes of rock collapses, landslides, and breakwaters under the earthquake loading. Particularly, the influence of the earthquake loading on hazard processes and motions was studied, and new modules were integrated into the current DDA code to obtain the interaction forces. The results show that DDA can be applied to evaluation of landslide mass mobility. The vertical ground motion can remarkably amplify the mobility in the near-fault area. DDA has advantage in the whole-process simulation of landslide induced by earthquake. The simulation results can reflect the characteristics of the failure processes of collapses, landslides and breakwaters faithfully. In addition, DDA is also able to calculate the impact force of failure masses on structures. The peak value of the impact force is much larger than the static lateral pressure, and is four times more than the static lateral pressure in the case study. Hence, the DDA can provide technical guidance for site selection and design of disaster protection from the perspective of reliability and economy.

DDA; earthquake; geological hazards; disaster prevention and control

2015-11-02

国家自然科学基金资助项目(51408511); 中央高校2015年度科技创新项目(2682015CX080); 第48批教育部留学回国启动基金资助项目.

赵兴权,张迎宾,陈光齐,等. 非连续变形分析方法及其在灾害防治研究中的应用[J]. 西南交通大学学报,2016,51(2): 300-312.

0258-2724(2016)02-0300-13

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.02.010

P642.22

A