土石碎屑體穩定性離散元數值分析

梁 鑫，鄭立寧

(1.廣西工學院 土木建筑工程系，柳州 545006;2.西南交通大學 土木工程學院，成都 610031)

土石碎屑體穩定性離散元數值分析

梁 鑫1，鄭立寧2

(1.廣西工學院 土木建筑工程系，柳州 545006;2.西南交通大學 土木工程學院，成都 610031)

利用顆粒流離散元方法，對土石碎屑體在外界營力作用過程中的穩定性進行數值計算，重點分析了碎屑體在前期施工開挖無支護及后期支擋防護兩種情況下的長期破壞模式，并對比了天然與暴雨作用下的差異。分析表明，顆粒流離散元方法能夠全面模擬碎屑體的失穩、破壞及塌滑移動過程，且能夠準確量化部分計算參數，為碎屑體的穩定性評價提供一種新的方法。

碎屑體 離散元 顆粒流 穩定性

在泥石流地質災害中，松散的土石碎屑體為泥石流發展的主要物源，在外力松動后，暴雨作用下往往會產生極具破壞性的碎屑流或規模更大的泥石流作用。新建某高速鐵路某擬建車站背靠一大型土石碎屑體發育區，施工開挖將產生局部擾動破壞，且暴雨作用下碎屑體有轉化成碎屑流的危險，直接威脅初期開挖施工及后期鐵路運營的安全。目前針對該類土石碎屑體還沒有合理有效的穩定性計算方法，常規的方法依舊以傳遞系數法為主[1-4]。近年來少數學者[5-6]開展利用球體顆粒流離散元方法模擬土石碎屑流及泥石流的運動及破壞形式，但結合具體實際工程開展深入研究的并不多見。本文采用顆粒流離散元方法對該土石碎屑體在前期施工開挖、后期支擋防護，并考慮暴雨影響的安全穩定性進行深入分析，為現場設計施工提供合理的指導建議。

1 工程概況

該大型土石碎屑體發育于某擬建車站一側山體中下部，整個山體高差70～80 m，坡度35～40°。坡體基巖為侏羅系上統凝灰巖，巖體較完整。土石碎屑體主要為第四系全新統坡崩積凝灰巖質碎塊石土，碎塊石粒徑30～300 cm之間，充填約20%細粒物質(為全風化凝灰巖質砂及黏土)，層厚6～15 m不等。工程建設擬對該土石碎屑體中下部實施前期開挖施工和后期支擋防護。

2 顆粒流離散元理論

顆粒流離散元通過模擬圓形顆粒介質的運動及其相互作用來研究顆粒介質的特性，通過一種非連續的數值方法來解決含有復雜變形模式的實際問題。把材料的力學響應問題從物理域映射到數學領域內進行數值求解[7]。顆粒流離散元理論基于以下假設:①顆粒單元為剛性體;②接觸發生在很小的范圍內，即點接觸;③接觸特性為柔性接觸，接觸處允許有一定的“重疊”量，量的大小與接觸力有關，與顆粒大小相比，“重疊”量很小;④接觸處有特殊的連接強度;⑤顆粒單元為圓盤形。該理論的接觸本構模型包括接觸剛度模型、庫侖滑塊模型和連接模型。其中，接觸剛度模型分為線彈性模型和非線形Hertz-Mindlin模型;連接模型分為接觸連接模型和并行連接模型，接觸連接模型僅能傳遞作用力，并行連接模型可以承受作用力和力矩。

3 模型的建立和參數設置

3.1 模型的建立

選取DK187+145橫斷面為計算斷面，坡體坡度介于 32°～39°之間，坡高 78.4 m，坡長 129.6 m，土石碎屑體厚度6～9 m不等。模型中將坡體分成基巖與土石碎屑體兩部分，利用基巖面將兩部分分開，設定運算過程中基巖保持穩定僅表層碎屑體運動，利用wall命令建立基巖界面且運算過程中始終保持位移為零。經現場詳細調查結合室內試驗分析確定，土石碎屑體物質組成為粒徑2～30 mm細粒顆粒、粒徑60～120 mm角礫及粒徑200～260 mm塊石及少部分粒徑大于1 000 mm滾石。故模型中采用離散顆粒粒徑2～30 mm、60～120 mm、200～260 mm 及少部分1 000～1 400 mm，4個粒級范圍劃分離散單元，模型共劃分2 651個球形顆粒單元，見圖1(a)。考慮易于監測碎屑體塌滑破壞過程，將其按10 m間隔設置彩色條帶分區，施工開挖運算中模擬一次性開挖區為碎屑體中下部顆粒，最大開挖深度7.93 m，共開挖(delete)513個顆粒單元，見圖1(b)。后期支擋防護考慮路基堆載效應及防護支擋結構作用效果，共填筑路基6.5 m，布設支擋結構高出地面4.92 m，模型共增加892個單元，見圖1(c)。

3.2 模型參數設置

基于現場詳勘及室內試驗分析，確定不同單元類型的物理屬性參數如表1所示。

4 開挖失穩破壞分析

圖1 顆粒流離散元計算模型

開挖失穩破壞計算考慮天然狀態及暴雨狀態兩種工況模式，開挖均為一次性整體無支護開挖。結合室內試驗及模型落門試驗[3]，暴雨工況中考慮碎屑體顆粒黏結強度參數折減22%，摩擦系數折減20%。開挖破壞穩定后碎屑體形態見圖2。

由圖2可見，天然狀態下開挖后，碎屑體中上部產生牽引式塌滑失穩。失穩范圍自開挖區至坡頂，塌滑體厚4～6 m，失穩后堆積于開挖區，坡度達到33°時塌滑體趨于穩定。碎屑體塌滑位移坡面處最大，向內遞減，平均位移35.49 m，最大位移87.20 m。可見天然施工開挖長時間無支護作用，會導致碎屑體中上部產生漸進式塌滑失穩，且使坡頂局部大粒徑滾石向下崩落。考慮暴雨工況作用后，上部塌滑體范圍持續擴大，坡體頂部塌滑厚度增至6～7 m，碎塊石土體基本全部塌滑。滑體堆積于開挖區及坡體中下部，坡度達到27°時趨于穩定。碎屑體顆粒平均位移達51.3 m，較天然工況增加44.54%;最大位移達98.3 m，較天然工況增加12.72%。暴雨作用不僅增加了碎屑體的塌滑規模，而且造成了大量大粒徑滾石的崩落。

圖2 無支護開挖破壞穩定后碎屑體形態

5 支擋防護設置分析

支擋防護作用是保證鐵路長期安全運營的重要手段，針對該碎屑體重點考慮支擋抗滑力及防護設計高度。天然及暴雨兩種工況下支擋防護后碎屑體長期失穩破壞形態見圖3。

由圖3可見，天然工況下碎屑體經支擋防護后，在長期發展過程中，碎屑體僅產生局部溜滑，溜滑范圍主要集中在距坡頂10 m處左右，溜滑體厚2～3 m，主要堆積于支擋結構前，以大塊石及漂石為主，當坡度達到33°時趨于穩定。暴雨工況下碎屑體上部塌滑范圍進一步擴大，坡頂30～40 m范圍內坡體近乎整體塌滑，塌滑體最厚處達6 m，坡度達到27°趨于穩定。塌滑體集中滑塌至坡體中下部支擋結構處，支擋結構前已堆滿塌滑體，且有少量大粒徑滾石越過支擋結構頂端落入路基面，對線路安全造成一定影響。

對模型抗滑支擋結構利用顆粒流離散元自帶的fish語言編寫程序，記錄 X方向下滑力合力的變化。由記錄結果可知，天然工況下下滑力合力約3.2×106N，暴雨工況下下滑力合力約4.2×106N，暴雨工況下下滑力合力增加近30%。由圖3b可知，目前布設支擋結構高出地面4.92 m，但仍難以有效阻擋部分大粒徑滾石逾越至鐵路線路，故目前設計的支擋結構高度仍需加高，高出地面6 m以上較為合適。

圖3 支擋防護后碎屑體長期失穩破壞形態

6 結論

顆粒流離散元方法適用于土石碎屑體的穩定性分析，不僅在碎屑體的失穩破壞形態上，且在碎屑體與結構物作用方面都可以全過程模擬。該方法突破以往連續性有限元方法無法準確模擬散粒體的不足，可以全面考慮各計算單元的屬性差異。從目前的分析結果顯示，該方法為土石碎屑體的穩定性分析提供一種全新有效的途徑。

[1]巨能攀，何興江.煤矸石堆積體穩定性及災害防治對策研究[J].地質與勘探，2010，46(1):142-146.

[2]李樹武，聶德新，劉惠軍.大型碎屑堆積體工程特性及穩定性評價[J].巖石力學與工程學報，2006，25(增 2):51-57.

[3]曾斌，項偉，桂樹強.下川島公路高邊坡崩塌落石柔性防護設計[J].鐵道建筑，2009(8):83-85.

[4]劉育田，劉俊新.降雨入滲對路堤邊坡穩定性研究[J].鐵道建筑，2009(8):88-92.

[5]蔣志宏.分離元素法應用與土石流行為之研究[D].臺灣:臺灣朝陽科技大學，2007.

[6]TANG C L，HU J C，LIN M L.The Tsaoling landslide triggered by the Chi-Chi earthquake，Taiwan:Insights from a discrete element simulation[J].Engineering Geology，2009，106(2):1-19.

[7]尹小濤，王水林，馬雙科，等.強度變化對崩坡積體堆積機制及穩定性影響研究[J].巖土力學，2010，31(2):620-627.

U213.1+3

B

1003-1995(2011)02-0091-03

2010-08-23;

2010-09-08

廣西教育廳科研項目(項目編號:200808LX348);廣西工學院碩士基金(項目編號:500554)

梁鑫(1979— )，男，廣西柳州人，講師，碩士。

(責任審編 葛全紅)