崩塌體對(duì)構(gòu)筑物的沖擊分析★

孫新坡 廖衛(wèi)東

(西南科技大學(xué)土建學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010)

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崩塌體對(duì)構(gòu)筑物的沖擊分析★

孫新坡 廖衛(wèi)東

(西南科技大學(xué)土建學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010)

用離散元法(DEM)進(jìn)行了一系列數(shù)值模擬試驗(yàn)，模擬不同參數(shù)(內(nèi)摩擦角，緩沖區(qū)長(zhǎng)度，圓柱形結(jié)構(gòu)物直徑)的崩塌體在滑道上滑下與坡底前的圓形構(gòu)筑物作用，再現(xiàn)了崩塌運(yùn)動(dòng)—堆積過(guò)程，揭示了崩塌對(duì)沿程工程結(jié)構(gòu)的沖擊機(jī)理，為潛在崩塌危害區(qū)域預(yù)測(cè)和防治提供理論支持。

崩塌，離散元法，構(gòu)筑物，堆積

1 概述

“5·12”地震后，我國(guó)西南地區(qū)爆發(fā)了大量災(zāi)害，包括滑坡、崩塌、泥石流和山洪等，其中崩塌災(zāi)害非常嚴(yán)重。其高速動(dòng)力特性常常對(duì)沿程構(gòu)筑物造成重大破壞和人員傷亡。

Cannon，Hungr[1,2]對(duì)山崩或者巖崩采用動(dòng)力學(xué)模型，但大型滑坡的動(dòng)力學(xué)模型的主要困難在于選擇合適的物理力學(xué)參數(shù)，如何適應(yīng)復(fù)雜的地形地貌條件。

大型滑坡具有超強(qiáng)的動(dòng)力特性，對(duì)沿程構(gòu)筑物造成巨大的沖擊破壞。Chiou，Teufelsbauer et al[3-5]采用室內(nèi)模型試驗(yàn)和離散元方法研究了雪崩與防護(hù)工程的動(dòng)力相互作用。

何思明等研究了震波能量在危巖體中的輸入和耗散機(jī)制。裴向軍和黃潤(rùn)秋等，運(yùn)用非連續(xù)變形數(shù)值分析(DDA)方法，對(duì)危巖體在強(qiáng)震作用下的失穩(wěn)模式、破壞規(guī)模、運(yùn)動(dòng)軌跡及對(duì)橋墩沖擊的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行模擬研究。冀巧心介紹了柔性防護(hù)網(wǎng)在防治崩塌中的應(yīng)用。

本文以水槽試驗(yàn)為研究對(duì)象，以圓柱體為構(gòu)筑物，運(yùn)用DEM法進(jìn)行數(shù)值分析崩塌體崩塌滑動(dòng)以及對(duì)構(gòu)筑物沖擊作用，用來(lái)預(yù)測(cè)崩塌及防護(hù)。

2 建模及分析

2.1 問(wèn)題描述

徹底關(guān)大橋位于國(guó)道213線都(江堰)—汶(川)公路K44+235處，地震時(shí)被崩塌滾石沖毀，后經(jīng)重建，新的徹底關(guān)大橋于2009年5月12日建成。由于連日大雨，2009年7月25日凌晨4：40左右，岷江右岸山體高位(落差達(dá)500 m)危巖發(fā)生大面積(崩塌體總方量超過(guò)10 000 m3)崩塌，導(dǎo)致橋墩再次被沖毀(如圖1所示)。

2.2 基本理論

離散的顆粒的受力與運(yùn)動(dòng)遵循牛頓定律的基本原理，在外力的作用下，系統(tǒng)可以保持靜態(tài)平衡，也可能產(chǎn)生破壞，并發(fā)生顆粒流動(dòng)。

PFC程序進(jìn)行顆粒流動(dòng)模擬計(jì)算基于以下假設(shè)：

1)所有顆粒體為剛體；

2)顆粒之間的接觸面積非常小；

3)顆粒之間的接觸采用弱接觸分析方法進(jìn)行描述，剛性顆粒允許在接觸點(diǎn)發(fā)生重疊；

4)顆粒間接觸重疊的大小與接觸力相關(guān)，由力—位移關(guān)系控制，且所有的重疊尺寸相對(duì)于顆粒大小來(lái)說(shuō)很小；

5)所有顆粒均為圓形。

2.3 DEM數(shù)值建模

如圖2所示，實(shí)際斜坡用一個(gè)水槽進(jìn)行模擬，顆粒體沿水槽下滑，并與水槽底部的圓柱形樁發(fā)生碰撞，最終堆積在水槽底部的水平部分。斜坡坡角為α，顆粒體在坡面上的高度為H，顆粒體體積V0。坡前的圓柱體用來(lái)模擬橋墩，圓柱體距坡腳S。長(zhǎng)度為S的存儲(chǔ)區(qū)用來(lái)減緩顆粒體的運(yùn)動(dòng)。由于三維顆粒體的運(yùn)動(dòng)，所以考慮了碎屑流到達(dá)最后平衡形狀前的水平分散。

斜坡幾何參數(shù)、緩沖區(qū)長(zhǎng)度、顆粒體高度、圓柱半徑見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值模擬采用的幾何和材料參數(shù)

初始顆粒體體積V0=33.75 m3，斜面角度α=45°。水槽底前的圓柱高3 m，直徑0.5 m～0.6 m。

顆粒體大約由2 263個(gè)顆粒組成，半徑r=0.1 m～0.125 m，顆粒半徑大小呈高斯隨機(jī)分布，顆粒密度ρs=26.5 kN/m3。

采用PFC程序進(jìn)行邊坡模擬時(shí)，需要輸入顆粒的微觀特性參數(shù)，包括顆粒體的法向剛度、切向剛度，顆粒之間接觸的接觸面強(qiáng)度參數(shù)等，見(jiàn)表1。

3 計(jì)算結(jié)果分析

現(xiàn)在對(duì)崩塌體的摩擦系數(shù)及圓柱體的不同直徑和位置對(duì)崩塌體的堆積和碰撞力的影響進(jìn)行分析。

圖2是水槽模擬圖，顆粒內(nèi)摩擦角32°，s=2 m，圓柱直徑d=0.5 m，底板未打開(kāi)。圖3a)是底板打開(kāi)，顆粒體在自重作用下，沿水槽滑道下滑，運(yùn)行10萬(wàn)步圖，可以看到，只有很少顆粒流到滑道下面停在圓柱前。圖3b)顯示計(jì)算100萬(wàn)步時(shí)顆粒的運(yùn)動(dòng)情況，可以看出更多顆粒散落在圓柱前，部分顆粒越過(guò)圓柱到圓柱后面，形狀更接近半圓。圖3c)是計(jì)算300萬(wàn)步時(shí)的側(cè)面和俯視圖，顆粒堆積區(qū)形狀呈半圓形，由于圓柱的影響，半圓前方有缺口，說(shuō)明了圓柱對(duì)顆粒堆積形狀的影響。圖3b)～圖3d)分別是100萬(wàn)步，300萬(wàn)步，528萬(wàn)步的側(cè)面和俯視圖,堆積體形狀半圓，半徑分別是4.56，5.75，5.95。可以看到堆積半徑和堆積面積隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，前期，堆積半徑和堆積面積增長(zhǎng)迅速，但是增長(zhǎng)速度很快開(kāi)始放緩，最后達(dá)到穩(wěn)定。

圖4為顆粒摩擦角為32°,34°,38°時(shí)，堆積面積隨時(shí)間(計(jì)算步數(shù))的演化圖，可以看出摩擦角越小，堆積面積和體積達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間越短。顆粒堆積過(guò)程大致分3個(gè)階段，第一階段面積和體積堆積速度慢，斜率平緩；第二階段堆積速度加快，斜率陡升；第三階段堆積速度變緩。

3.1 摩擦角對(duì)碰撞力的影響

圖5顯示不同摩擦角時(shí)，顆粒體對(duì)圓柱碰撞作用力的過(guò)程，其中，s=2 m，圓柱直徑為0.5 m，摩擦角分別是32°，34°，38°。可以看出碰撞力呈動(dòng)態(tài)變化，先增長(zhǎng)到最大，在總的趨勢(shì)上逐漸減小到一個(gè)穩(wěn)定的靜態(tài)力。摩擦角越小，達(dá)到穩(wěn)定靜態(tài)力時(shí)間越短。圖5顯示碰撞力隨著摩擦角增長(zhǎng)總體碰撞力增長(zhǎng)。摩擦角小的時(shí)候，顆粒比較散的碰撞圓柱隨著顆粒間摩擦力增長(zhǎng)，顆粒聚集形成比較大的團(tuán)塊碰撞圓柱，沖擊力也相應(yīng)增大。

3.2 圓柱位置對(duì)碰撞力的影響

圖6顯示最大碰撞力與圓柱距離的大小的關(guān)系，最大碰撞力隨圓柱距離的增大而減小，摩擦力越小，達(dá)到最大碰撞力時(shí)間越短。達(dá)到最大力后逐漸減小最后趨于靜態(tài)力，達(dá)到平衡。

3.3 圓柱直徑對(duì)碰撞力的影響

圖7顯示最大碰撞力與圓柱直徑的大小的關(guān)系，最大碰撞力隨圓柱直徑的增大而增大，并且呈非線性的關(guān)系。最大碰撞力隨著直徑增大迅速增大，表明隨著直徑增大，接觸面積二次方增大，所以是非線性的。

4 結(jié)語(yǔ)

離散元可以模擬顆粒物質(zhì)的流動(dòng)面積，和顆粒與結(jié)構(gòu)物之間的相互作用計(jì)算分析，可以得出如下結(jié)論：

1)堆積區(qū)面積和體積呈半圓扇形擴(kuò)展，開(kāi)始堆積面積和堆積體積快速增長(zhǎng)，之后緩慢達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；

2)顆粒內(nèi)摩擦角對(duì)堆積面積具有顯著的影響，摩擦角越小，堆積面積達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間越短。堆積過(guò)程大致分三個(gè)階段，第一階段面積和體積堆積速度慢，斜率平緩；第二階段堆積速度加快，斜率陡升，第三階段堆積速度變緩；

3)碰撞力是動(dòng)態(tài)力，先增長(zhǎng)到最大，再減小到一個(gè)穩(wěn)定的靜態(tài)力。摩擦角越小，達(dá)到穩(wěn)定靜態(tài)力時(shí)間越短，碰撞力隨著摩擦角增長(zhǎng)總體碰撞力增長(zhǎng)。最大碰撞力隨圓柱距離的增大而減小，摩擦力越小，達(dá)到最大碰撞力時(shí)間越短。達(dá)到最大力后最后趨于靜態(tài)力，達(dá)到平衡。碰撞力隨著直徑增大迅速增大。

[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,吳 永,李新坡.強(qiáng)震荷載下裂縫巖體拉剪破壞機(jī)理.工程力學(xué),2012,29(4):178-184.

[7]裴向軍,黃潤(rùn)秋,李世貴.強(qiáng)震崩塌巖體沖擊橋墩動(dòng)力響應(yīng)研究.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2011,30(9):3995- 4001.

[8]冀巧心.柔性防護(hù)網(wǎng)技術(shù)在整治山體崩塌落石中的應(yīng)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 ★：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：41472325);西南科技大學(xué)博士基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：12zx7124)

孫新坡(1978- )，男，博士，講師； 廖衛(wèi)東(1972- )，男，碩士，高級(jí)工程師

P694

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