傾倒式崩塌PFC數值模擬研究

胡丁文 HU Ding-wen

（成都理工大學環境與土木工程學院，成都 610059）

0 引言

隨著我國“一帶一路”重大戰略的構建和實施，人類工程活動不斷向山區推進，越來越多的水利工程設施和道路交通設施將在我國西南山區進行建設。復雜的地形地貌，惡劣的氣候條件以及高陡邊坡的開挖擾動，使得危巖體崩塌發生概率大大增大。危巖體的崩塌尤其是傾倒型崩塌，由于其破壞的突發性使其成為最難預防的自然地質災害之一，這將會嚴重影響自然地質災害發生地村民的正常社會經濟生活。

為研究傾倒式崩塌破壞過程，國內外學者采用建立離散型顆粒流模型并進行數值計算的方法對各種復雜地質條件的危巖崩塌進行模擬計算。如孫新坡[1]等采用離散元法對公路邊坡崩塌體進行模擬，研究崩塌體動力破碎的影響；孔偉[2]通過PFC數值模擬研究了不同模式的崩塌模型，將危巖變形破壞過程主要分為裂紋初步發育階段、快速發育階段、裂紋貫通破壞階段，從裂紋發育擴展方向分析典型危巖變形破壞失穩機理；羅彩梅[3]基于顆粒流程序建立粗糙斜面上的顆粒流動模型，研究顆粒在斜面上的崩塌行為。

在建立PFC2D顆粒流傾倒式崩塌數值模型前，要考慮選擇合適的顆粒接觸模型，合適的顆粒接觸模型能夠得到良好的數值模擬結果。光滑節理模型兩側顆粒球體做平面滑移現象，使用光滑節理模型可明顯避免傳統顆粒球體模擬生成節理面時產生的“顛簸”效應，以比較真實的情況再現節理的物理力學特征。節理面兩側巖體主體材料選擇平縫接觸粘結模型（Flat-Joint Model）進行模擬。劉富有等[4]通過平縫接觸粘結模型不考慮節理局部顆粒接觸的方向，當顆粒間的連接破壞時，能起到限制顆粒旋轉的作用，得到較為符合實際的壓拉比。余其品，張睿等[5-6]通過平縫接觸粘結模型模擬巖體層面間的擴張及錯動。

基于上述學者使用離散元顆粒流模型對崩塌的研究，本文擬運用PFC2D，通過平行粘結模型參數取值法構建傾倒式崩塌模型，通過數值計算的方法模擬分析，并總結傾倒式崩塌在不同階段的傾角及位移的變化特征。

1 傾倒型崩塌危巖體地質概況

1.1 傾倒型崩塌形成原因

選取的傾倒型崩塌危巖體位于開陽縣金中鎮寨子崩塌帶，研究區位于開磷集團的洋水礦區采空影響區內，區內一直以來都在對陡山沱組的磷礦進行開采。傾倒型崩塌危巖體形成的主要原因在于地下硐采磷礦，導致采空區形成，破壞了巖體的完整性，上覆白云巖由于開挖卸荷后的應力重分布，導致上部形成拉力帶，在危巖體后緣產生卸荷拉裂縫。選取的危巖體右側臨空，左側由于在開挖卸荷和風化作雙重用的影響下發育了一組裂縫，巖體被切割成危巖體。

1.2 危巖體形態特征

傾倒型崩塌危巖體呈不規則契形狀，后緣壁存在寬8cm左右的裂縫，左側存在一個張開度約為2cm的節理裂隙，但未與危巖體后壁的裂縫貫通，根據現場調查，危巖體重心仍位于鎖固段內側，短時間內危巖體于天然狀態下仍保持穩定狀態。傾倒型危巖體屬于高風化白云巖，同時危巖體發育有兩組結構面，一組位于危巖體后緣，產狀為124°∠33°，切割深度范圍為2.1m左右，充填物主要為碎石土，裂隙裂面形態較為彎曲，裂面較為粗糙，另一組結構面位于危巖體左側，產狀為324°∠54°，切割長度為1.6m，裂隙裂面形態較為彎曲（如圖1）。

圖1 傾倒型崩塌危巖體示素描圖

1.3 巖體力學特征

試驗選取的傾倒型崩塌危巖體為燈影組灰白色白云巖巖體，采用彭紅明，李霍等[7-8]開陽磷礦洋水礦區白云磷礦石試樣室內巖體單軸抗壓強度試驗、變形試驗、攜帶式剪切試驗得到巖石的力學參數和變形指標，以用于本次PFC2D模擬試驗的基本力學參數，見表1。

表1 傾倒式崩塌巖石力學參數

2 傾倒式崩塌pfc2D數值試驗

2.1 PFC數值模擬試驗參數取值

平行粘結模型參數取值見表2。傾倒式崩塌危巖體地質模型邊界導入PFC之后，利用PFC中相應的命令流在模型邊界內生成13716個球體，其中孔隙率為0.15，球體半徑范圍在0.1-0.6，為了監測危巖體在整個災變演化過程的位移和傾角，采用PFC中的mesure命令流。

表2 平行粘結模型參數取值表

添加重力前將所有球體顆粒的速度、位移、線性力、接觸力清零，并沿著危巖體后緣裂縫進行加載板墻體的生成，將加載板墻體的底部進行固定，同時采用PFC命令流將加載板墻體的旋轉中心設置為加載板墻體的底部端點，對加載板墻體施加一定的角速度來完成加載板墻體對危巖體的加載，模型可以狀態分為5個階段，具體狀態如圖2所示。

圖2 不同加載部署模型顆粒狀態圖

①由于PFC是顆粒流離散元軟件的緣故，導致加載板墻體起始時無法與危巖體后緣完全接觸，因此需要對加載板墻體進行一定位移量的預壓，使得加載板墻體能夠對危巖體后緣施加作用力，此過程中可以觀察到危巖體底部顆粒受到預壓作用較為明顯。

②此時加載板墻體已經與危巖體完全接觸，加載板墻體開始對危巖體頂部顆粒產生巨大的作用力，危巖體頂部的顆粒也因加載板墻體對危巖體后緣的作用力開始有了向危巖體外部傾斜的速度和位移傾向，危巖體內部顆粒也有由頂部不平衡向底部不平衡轉移的趨勢。

③危巖體內部大部分顆粒處于不平衡狀態，沿著裂隙發育的方向，離裂隙尖端近的危巖體部位進行的位移量較小，離尖端遠的危巖體部位進行的位移較大，且危巖體頂部有多處部位開裂。

④加載板墻體繼續通過位移開始對危巖體產生較大推力，危巖體頂部有大區域顆粒已經松落，危巖體整體出現了較大的宏觀位移，上一階段危巖體底部出現的不平衡顆粒已經對其周圍的顆粒產生較大的作用力，開始形成較為可觀的裂隙，并在此階段開始進行貫通。

⑤加載板墻體不再對危巖體起作用，危巖體在自身重力條件下開始破壞鎖固段，前幾個階段形成的裂隙在本階段因重力作用開始發生大范圍的崩解，危巖體發生傾倒破壞。

2.2 監測數據結果分析

為了監測危巖體在整個災變演化過程的位移和傾角，采用PFC中的mesure命令流。

對數值試驗中監測變量在整個災變過程的監測數據結果分析可見：整個災變過程中，傾角一直在逐步增大，但每次增量都比較小，進行連續對比較易發現整個危巖體進行了繞著危巖體底部頂點有持續小角度的傾倒變形，僅對比任意時刻的宏觀變化較難以發現差異，同時，在整個傾倒式崩塌危巖體發生災變過程中，3個監測點所測得的位移均隨著時間步的增加在增加，尤其以危巖體頂部設置的監測點所得的位移極其明顯，命令進行到24000時步左右時，位移變化速率開始變慢，也就意味著危巖體后緣裂隙已經完全貫通，整個危巖體基本已經發生破壞。

3 結論

①傾倒式崩塌在數值模擬加載破壞的過程中表現為危巖體繞底部支座進行旋轉，巖體裂縫逐步在危巖體當中產生。

②在數值模擬試驗下，傾倒式崩塌的不平衡狀態顆粒最開始在危巖體的上部開始產生，然后在加載的過程中下部巖體也慢慢開始逐漸產生不平衡狀態顆粒。

③通過不同監測點的變形曲線可以發現，在不同位置的監測變化速率不同，因此針對于傾倒式崩塌的野外監測預警時，變形監測儀器應盡量安裝于危巖體上部能更好地監測傾倒式危巖體的變化情況。