基于离散元法的滑坡模拟研究

张永柱 吴 剑

王能永2 谢智平1

(1.三峡大学土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002； 2.湖北煤炭地质一二八队，湖北 黄石 435000)



基于离散元法的滑坡模拟研究

张永柱1吴 剑1*

王能永2谢智平1

(1.三峡大学土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002； 2.湖北煤炭地质一二八队，湖北 黄石 435000)

介绍了秭归县白家包滑坡的工程概况，利用PFC2D软件，模拟了该滑坡的变形破坏过程，并通过倾斜加载和强度折减法，分析了滑坡破坏时的速度场，总结了滑坡的成因与形成机制，从而为滑坡的治理工程提供依据。

滑坡，数值模型，离散元，强度折减法

0 引言

离散元法是美国学者Cundall P.A.教授于1971年所提出的一种不连续数值计算方法，它既能模拟块体受力后的运动，又能模拟块体本身受力的变形状态[1]。PFC2D与常规的有限元方法不同，它把介质看成不连续的基本单元，这些基本单元是微观的，本身具有一定的几何、物理、化学特征，它通过圆形颗粒介质的运动及其相互作用来模拟颗粒材料的力学特性。单元之间通过接触关系，建立位移和力的相互作用规律，各单元只与相邻的基本单元作用，其运动遵从牛顿第二运动定律，基本单元的接触遵循力和位移法则。计算过程就是分时步不断地重复对每个单元使用运动方程和对每个接触使用力和位移法则，可方便地求解非线性大位移和动力稳定问题[2，3]。与常规的有限元模拟计算软件相比，在研究滑坡体的动力学问题时能取得很好的效果。

1 边坡的工程概况

白家包滑坡位于秭归县归州镇向家店村，展布于香溪河右岸，前缘直抵香溪河，滑坡剪出口位于高程125 m～135 m，滑坡后缘以基岩为界，高程265 m，左侧以山脊下部基岩为界，右侧以山梁为界。滑坡平面形态呈短舌状，前缘宽500 m，后缘宽300 m，均宽约400 m，纵长约550 m，滑坡面积22×104m2。滑坡坡面坡度10°～15°，滑体前缘临江段坡度20°，中部平缓，坡度10°～12°，滑坡平均坡度约15°，深层滑体前缘厚20 m～30 m，中部厚47 m，后缘厚10 m～40 m，滑体总体积约1 650×104m3。边坡的地质剖面图见图1。

2 参数的选取及数值模型的建立

2.1 数值模拟参数的选取

对于选取的白家包滑坡剖面，由于滑床以下基础部分在整个过程中不发生运动，对上部的变形和运动特征基本无影响，只是为上部滑体的运动变形提供一个固定的空间参考系，因此，为方便计算，其参数的选取不作为考虑的对象。本文重点考虑的是对滑体和滑带参数的选取。室内土工试验结果见表1，经反复试算最终选取数值模拟的参数见表2。

表1 室内试验宏观参数取值

表2 对应的PFC模型细观参数

2.2 白家包滑坡离散元模型的建立

根据前面所取的细观参数值，利用PFC2D软件建立白家包原型尺寸的平面模型，颗粒间采用平行粘结模型，该模型长720 m，最大高度280 m。材料分为3个区，由下到上依次为滑床、滑带、滑体。在建模的过程中，首先生成滑床颗粒，由于滑床整个过程中是稳定的，因此将整个滑床颗粒X向和Y向均固定；其次生成滑带，滑带的生成分为2次，第1次生成时滑带颗粒比预期值要小，待滑体生成后，通过第2次膨胀滑带，使所有颗粒之间能够紧密接触，最后再将3种颗粒做一次静定处理，使其能够自由堆放。

为了能从定量上来分析滑坡体的变形特征，我们在滑坡体上布置了6个监测球。采用PFC2D程序对6个球的位置进行跟踪监测，从而实现对滑坡的发生发展的过程进行模拟。6个监测球分别位于滑坡体的前缘、中部(中部2组，每组分上下2个球)和后缘上。滑坡监测球布置见图2。

3 离散单元法模拟结果分析

3.1 在倾斜加载和改变折减系数下边坡破坏过程分析

为了了解模型的破坏过程，本文采用倾斜加载和强度折减法两种方式对边坡施加荷载[4,5]。图3～图8是模型倾斜角度为9°和折减系数为1.8时坡体各监测球速度随时步的变化图，从图中可以看出，两种加载方式下，各监测球的速度变化规律比较相似。从各个监测球来看，1号监测球最开始的速度最大，达到0.5 m/s，中间2号～5号监测球的速度在0.2 m/s～0.35 m/s之间，后缘6号监测球的滑速较中间的快。整个的速度变化趋势是开始速度快，中间某个过程后5个球的速度趋于零，紧接着经历了两三次时快时慢的变化，最终都趋于零。其中在中间的某个过程，只有滑坡体的前缘在滑动，当前缘再一次滑动后，后部滑体失去支撑，进而跟着一起滑动，表明了坡体的破坏方式为牵引式滑坡。

3.2 滑坡破坏模式分析

从上面的速度场的分析可知，白家包滑坡的破坏模式为前缘先动，而且前缘的滑动位移比后缘大，滑速表现出中间慢，前后快，前缘启动时刻滑速较后缘大，当前缘滑动破坏后，后部失去支撑时，从而发生整体滑动，整个滑坡表现出牵引式滑坡的破坏特征。

4 结论

本文通过数值计算方法，简单标定了白家包滑坡的数值模拟所需的细观参数，接着以白家包滑坡作为研究对象，用数值模拟方法将倾斜加载方式与强度折减法得出的速度指标进行定性定量分析，得出了以下结论：

1)在离散元模拟计算中，对于滑体比较松散的材料，采用对滑体和滑带同时折减，模拟计算得出的结果可能更可靠，但对于滑体粘结比较强的，可以只对滑带进行折减。

2)强度折减法是一种常用的计算方法，通过对白家包滑坡的倾斜加载和强度折减法模拟结果速度场进行分析，可以看出两种加载方式得出的模拟结果比较相似，从而说明倾斜加载方式在滑坡试验时的可行性。

[1] 贺续文,刘 忠,廖 彪,等.基于离散元法的节理岩体边坡稳定性分析[J].岩石力学,2010,32(7):2199-2204.

[2] 郑书彦,李占斌,李甲平,等.滑坡侵蚀离散元分析研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(12):2124-2128.

[3] 王 宇,李 晓,王声星,等.滑坡渐进破坏运动过程的颗粒流仿真模拟[J].长江科学院院报,2012,29(12):46-52.

[4] 吴 剑,张振华,王幸林,等.边坡物理模型倾斜加载方式的研究[J].岩土力学,2012,33(3):713-718.

[5] 周 健,池毓蔚,池 永,等.砂土双轴试验的颗粒流模拟[J].岩土工程学报,2000,22(6):701-704.

Research on landslide simulation based on Discrete Element Method

Zhang Yongzhu1Wu Jian1*Wang Nengyong2Xie Zhiping1

(1.CollegeofCivilEngineeringandArchitectureofChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China; 2.HubeiCoalGeologyOneTwoEightTeams,Huangshi435000,China)

The paper introduces Baijiabao landslide engineering conditions of Zigui county, and simulates the landslide deformation damage process by using PFC2D software. Through inclined loading and SSRM, it analyzes velocity field when the landslide is destroyed, summarizes landslide causes and forming mechanism, so as to provide some guidance for landslide treatment engineering.

landslide, numerical model, DEM(Discrete Element Method), SSRM(Shear Strength Reduction Method)

1009-6825(2016)26-0079-03

2016-07-05

张永柱(1989- )，男，在读硕士； 王能永(1986- )，男，硕士； 谢智平(1988- )，男，在读硕士

吴 剑(1973- )，男，副教授

P642.22

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