滑坡碎屑流沖擊力影響因素的離散元模擬

張睿驍，樊曉一，姜元俊

(1.西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010；2．中國科學(xué)院 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041)

我國西南地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，由地震引起的滑坡、崩塌、泥石流等災(zāi)害對(duì)山區(qū)居民的生命財(cái)產(chǎn)造成很大的威脅，滑坡碎屑流與構(gòu)筑物之間的相互作用是目前研究的重點(diǎn)。近年來許多學(xué)者對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)過程從不同角度做了很多研究。文獻(xiàn)[1-5]從能量角度，對(duì)滑坡沖擊能建立了計(jì)算模型，完成了滑體沖擊過程能耗規(guī)律模型試驗(yàn)，并對(duì)受災(zāi)體提出了易損性定量評(píng)估。文獻(xiàn)[6]通過對(duì)文家溝滑坡運(yùn)移特征的分析，發(fā)現(xiàn)滑體運(yùn)移主要是由于碰撞發(fā)生解體，地形是滑體運(yùn)移堆積的主控因素。文獻(xiàn)[7]利用物理模型試驗(yàn)，對(duì)滑體的鏟刮效應(yīng)及其機(jī)制進(jìn)行了探討。文獻(xiàn)[8-9]對(duì)滑坡超前沖擊氣浪進(jìn)行了深入探討，定量分析了滑坡碎屑流運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的超前沖擊氣浪的特征及演化規(guī)律。文獻(xiàn)[10-11]通過試驗(yàn)研究碎屑流沖擊擋土墻的作用機(jī)制，并探討了沖擊作用的量化評(píng)估計(jì)算方法。文獻(xiàn)[12]通過一個(gè)具有預(yù)定速度的鋼重物碰撞，研究結(jié)構(gòu)的沖擊行為。文獻(xiàn)[13]基于能量守恒定律，研究了影響沖擊能量的因素。雖然已有的研究已經(jīng)取得了較好的研究成果，但是目前對(duì)于滑坡碎屑流沖擊力的影響效應(yīng)研究比較少。本文在已有的研究基礎(chǔ)上，建立三維離散元模型，研究不同距離的剛性擋板和坡角對(duì)滑坡碎屑流沖擊力的影響。

1 三維離散元模型

1.1 模型尺寸

結(jié)合試驗(yàn)場(chǎng)地的具體情況和試驗(yàn)的要求，本文整個(gè)試驗(yàn)裝置主要由料箱、滑槽和剛性擋板構(gòu)成。料箱尺寸為0.5 m×0.5 m×0.5 m(長×寬×高)，料箱前部設(shè)有擋板，滑槽是試驗(yàn)巖土體運(yùn)動(dòng)的主要場(chǎng)所，滑槽高度為1.25 m，坡角θ取35°，45°，55°，在距離坡腳L(0.25，0.50，0.75 m)處設(shè)置剛性擋板，用來模擬不同攔擋距離對(duì)滑坡碎屑流沖擊效應(yīng)的影響，如圖1所示。本模型在坡角45°沒有擋板情況下顆粒滑動(dòng)最遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)距離約為0.98 m。

圖1 滑槽模型示意(單位：mm)

1.2 數(shù)值計(jì)算參數(shù)的標(biāo)定

圖2 MATLAB后處理顆粒堆積輪廓

材料泊松比剪切模量/Pa密度/(kg·m-3)滑槽(底板)0.307.00×10107 500滑槽(擋板)0.251.96×1092 500顆粒0.211.00×1082 100

表2 材料間接觸參數(shù)模擬取值

1.3 方案設(shè)計(jì)

利用滑坡碎屑在水平滑槽中的運(yùn)動(dòng)來模擬滑坡碎屑流對(duì)剛性擋板的沖擊效應(yīng)。主要研究不同距離的剛性擋板和坡角對(duì)滑坡碎屑流沖擊力的影響。試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表3。

表3 滑坡試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

提取滑坡碎屑流運(yùn)動(dòng)過程中的沖擊力進(jìn)行分析。無擋板、坡角為35°，45°和55°時(shí)顆粒的運(yùn)動(dòng)時(shí)間分別為1.70，1.50，1.25 s。

2.1 擋板所受最大沖擊力

如表4所示，相同坡角下隨著擋板距離的增加，滑坡碎屑流顆粒對(duì)擋板的最大沖擊力逐漸減小，與0.25 m 處擋板所受最大沖擊力相比，0.75 m處擋板最大沖擊力減小了約70%；坡角越大，最大沖擊力減小值越大；對(duì)比出現(xiàn)最大沖擊力的時(shí)間，發(fā)現(xiàn)不同坡角下有較大差異。

表4 擋板所受最大沖擊力

坡角為45°和55°的滑道，0.25 m處擋板所受的最大沖擊力與0.50 m處差異比較小，與0.75 m處差異比較大。顆粒運(yùn)動(dòng)到0.25 m和0.50 m處擋板，顆粒的動(dòng)能比較大，滑道上的顆粒對(duì)前緣的顆粒有擠壓作用，當(dāng)顆粒運(yùn)動(dòng)到0.75 m處擋板時(shí)，斜坡上的顆粒完全從斜坡上下滑到水平滑道上，運(yùn)動(dòng)過程中與水平滑道之間存在摩擦，顆粒的動(dòng)能被消耗。將0.75 m處擋板上的最大沖擊力與0.25 m處對(duì)比可以看出，顆粒運(yùn)動(dòng)到0.75 m處時(shí)最大沖擊力減小了約70%。在實(shí)際滑坡當(dāng)中，一半滑程之內(nèi)的建筑物受到的沖擊破壞很大。進(jìn)行工程防護(hù)時(shí)，滑坡一半滑程之內(nèi)的建筑物應(yīng)當(dāng)以相同的防治等級(jí)進(jìn)行防護(hù)。

分析表4中出現(xiàn)最大沖擊力的時(shí)間可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)坡角小于45°時(shí)，擋板所受最大沖擊力的時(shí)間隨擋距離增加出現(xiàn)波折，即0.50 m處擋板上出現(xiàn)最大沖擊力的時(shí)間早于其他2個(gè)距離；當(dāng)坡角大于等于45°時(shí)，擋板上受到最大沖擊力的時(shí)間隨著擋板距離的增加逐漸增大。

不同坡角時(shí)0.5 m處擋板所受最大沖擊力見圖3?？芍?，坡角為35°且0.50 m處擋板出現(xiàn)最大沖擊力時(shí)，只有前緣部分顆粒下滑到堆積區(qū)滑道上;當(dāng)坡角小于45°時(shí)，大部分顆粒在滑槽上;當(dāng)坡角大于45°時(shí)，大部分顆粒運(yùn)動(dòng)到堆積區(qū)上。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因在于：當(dāng)坡角小于45°時(shí)，碎屑流顆粒受滑道摩擦力較大，到達(dá)坡腳處的動(dòng)能較小，當(dāng)顆粒運(yùn)動(dòng)到0.50 m處擋板時(shí)，前緣顆粒得到足夠運(yùn)動(dòng)距離，保持恒定的量向前運(yùn)動(dòng)，接觸到擋板時(shí)產(chǎn)生的沖擊力最大，后續(xù)的顆粒受到前緣顆粒的反作用力和堆積區(qū)滑道的摩擦力，對(duì)擋板產(chǎn)生的沖擊力較小。顆粒運(yùn)動(dòng)到0.25 m處擋板時(shí)，前緣的顆粒未得到足夠的運(yùn)動(dòng)距離，只有部分小顆粒隨著后緣的顆粒逐漸下滑堆積而產(chǎn)生最大沖擊力；運(yùn)動(dòng)到0.75 m處擋板時(shí)由于與堆積區(qū)滑道的摩擦產(chǎn)生最大沖擊力，滑道上顆?；救肯禄?。當(dāng)坡角大于等于45°時(shí)，碎屑流顆粒在加速區(qū)滑道上獲得的動(dòng)能較大，不同距離處擋板出現(xiàn)最大沖擊力時(shí)，加速區(qū)上的顆?；救肯禄?，而時(shí)間隨著距離的增加而增加。擋板出現(xiàn)在不同距離處導(dǎo)致?lián)醢迩胺剿樾剂黝w粒堆積的體積不同，最大沖擊力出現(xiàn)的時(shí)間都是在顆粒堆積到加速區(qū)滑道上時(shí)。

圖3 不同時(shí)刻0.5 m處擋板所受最大沖擊力

2.2 擋板所受沖擊力隨時(shí)間的變化

不同坡角時(shí)不同距離擋板所受最大沖擊力見圖4?？芍簱醢逅軟_擊力與時(shí)間的關(guān)系曲線可近似分為線性增大、持力階段、線性減小3個(gè)階段，曲線的3個(gè)階段隨坡角的增大逐漸明顯。

圖4 不同坡角時(shí)不同距離擋板所受最大沖擊力

隨著坡角的增大，沖擊力增加得越快，達(dá)到?jīng)_擊力峰值所用時(shí)間減小，坡角55°沖擊力曲線線性增加階段比較光滑，而坡角35°與45°沖擊力曲線線性增加階段比較曲折。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因在于：坡角越大，碎屑流顆粒整體下滑到坡腳所獲得的動(dòng)能越大，顆粒碰撞到擋板后反彈回來，而前緣的顆粒較少，后緣的大量顆粒迅速向前運(yùn)動(dòng)，裹挾著前緣反彈顆粒繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，對(duì)碎屑流顆粒整體動(dòng)能的影響較小，使得沖擊力整體上維持在一個(gè)線性增加階段，曲線比較光滑。

沖擊力在持力階段持續(xù)的時(shí)間隨著擋板距離的增大而增加。通過回放碎屑流沖擊擋板過程發(fā)現(xiàn)沖擊力的持力階段出現(xiàn)在碎屑流顆粒平鋪在擋板前方之后，堆積厚度逐漸增加的過程中。碎屑流顆粒在加速區(qū)滑道上獲得動(dòng)能之后，運(yùn)動(dòng)到堆積區(qū)滑道上。對(duì)比3種距離擋板的持力階段，擋板距離越大，碎屑流顆粒平鋪在擋板前方的厚度越小，對(duì)加速區(qū)滑道上顆粒的影響越小，持力階段的時(shí)間越長。

對(duì)比不同距離擋板所受沖擊力時(shí)程曲線，0.50 m 處擋板所受沖擊力在線性減小階段減小的速度最快。與0.75,0.25 m處擋板對(duì)比，碎屑流顆粒在加速區(qū)滑道下滑之后，運(yùn)動(dòng)到0.50 m處擋板前方的動(dòng)能較大，作用在擋板上的沖擊力較大，后緣顆粒對(duì)前部顆粒的碰撞作用對(duì)沖擊力的影響顯著;當(dāng)沖擊力時(shí)程曲線越過持力階段之后，后緣顆粒對(duì)前部顆粒的碰撞作用減小，加之顆粒整體動(dòng)能的減小，致使線性減小階段沖擊力隨時(shí)間減小最快。對(duì)于0.25 m處的擋板，碎屑流顆粒所獲得的動(dòng)能最大，沖擊力隨時(shí)間線性減小，顆粒整體動(dòng)能的減小占主導(dǎo)作用，后緣顆粒的碰撞作用較小，沖擊力隨時(shí)間變化較慢；對(duì)于0.75 m處的擋板，由于碎屑流顆粒在堆積區(qū)滑道上動(dòng)能的消耗，顆粒到達(dá)擋板前方時(shí)動(dòng)能最小，對(duì)擋板的沖擊力最小，擋板受力減小階段曲線較緩。

3 結(jié)論

本文基于離散元模擬，研究影響滑坡沖擊力的因素，得出以下結(jié)論：

1)相同坡角下，隨著擋板的距離的增大，滑坡碎屑流顆粒對(duì)擋板的最大沖擊力逐漸減小，與0.25 m處擋板所受最大沖擊力相比，0.75 m處擋板最大沖擊力減小了約70%；坡角越大，最大沖擊力降幅越大；不同坡角下最大沖擊力出現(xiàn)的時(shí)間有較大差異。

2)擋板所受沖擊力與時(shí)間的關(guān)系曲線可近似分為線性增大、持力階段、線性減小3個(gè)階段，3個(gè)階段隨坡角的增大逐漸明顯。

3)在沖擊力的線性增大階段，坡角越大，沖擊力增加得越快；沖擊力的持力階段持續(xù)的時(shí)間隨著擋板距離的增大而增加；在3種坡角下0.50 m處擋板所受沖擊力在線性減小階段減小的速度最快。