傾倒式崩塌PFC數(shù)值模擬研究

胡丁文 HU Ding-wen

（成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059）

0 引言

隨著我國(guó)“一帶一路”重大戰(zhàn)略的構(gòu)建和實(shí)施，人類工程活動(dòng)不斷向山區(qū)推進(jìn)，越來(lái)越多的水利工程設(shè)施和道路交通設(shè)施將在我國(guó)西南山區(qū)進(jìn)行建設(shè)。復(fù)雜的地形地貌，惡劣的氣候條件以及高陡邊坡的開挖擾動(dòng)，使得危巖體崩塌發(fā)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(fā)性使其成為最難預(yù)防的自然地質(zhì)災(zāi)害之一，這將會(huì)嚴(yán)重影響自然地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生地村民的正常社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活。

為研究?jī)A倒式崩塌破壞過(guò)程，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用建立離散型顆粒流模型并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)各種復(fù)雜地質(zhì)條件的危巖崩塌進(jìn)行模擬計(jì)算。如孫新坡[1]等采用離散元法對(duì)公路邊坡崩塌體進(jìn)行模擬，研究崩塌體動(dòng)力破碎的影響；孔偉[2]通過(guò)PFC數(shù)值模擬研究了不同模式的崩塌模型，將危巖變形破壞過(guò)程主要分為裂紋初步發(fā)育階段、快速發(fā)育階段、裂紋貫通破壞階段，從裂紋發(fā)育擴(kuò)展方向分析典型危巖變形破壞失穩(wěn)機(jī)理；羅彩梅[3]基于顆粒流程序建立粗糙斜面上的顆粒流動(dòng)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(shù)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(shù)值模擬結(jié)果。光滑節(jié)理模型兩側(cè)顆粒球體做平面滑移現(xiàn)象，使用光滑節(jié)理模型可明顯避免傳統(tǒng)顆粒球體模擬生成節(jié)理面時(shí)產(chǎn)生的“顛簸”效應(yīng)，以比較真實(shí)的情況再現(xiàn)節(jié)理的物理力學(xué)特征。節(jié)理面兩側(cè)巖體主體材料選擇平縫接觸粘結(jié)模型（Flat-Joint Model）進(jìn)行模擬。劉富有等[4]通過(guò)平縫接觸粘結(jié)模型不考慮節(jié)理局部顆粒接觸的方向，當(dāng)顆粒間的連接破壞時(shí)，能起到限制顆粒旋轉(zhuǎn)的作用，得到較為符合實(shí)際的壓拉比。余其品，張睿等[5-6]通過(guò)平縫接觸粘結(jié)模型模擬巖體層面間的擴(kuò)張及錯(cuò)動(dòng)。

基于上述學(xué)者使用離散元顆粒流模型對(duì)崩塌的研究，本文擬運(yùn)用PFC2D，通過(guò)平行粘結(jié)模型參數(shù)取值法構(gòu)建傾倒式崩塌模型，通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法模擬分析，并總結(jié)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(zhì)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(yáng)縣金中鎮(zhèn)寨子崩塌帶，研究區(qū)位于開磷集團(tuán)的洋水礦區(qū)采空影響區(qū)內(nèi)，區(qū)內(nèi)一直以來(lái)都在對(duì)陡山沱組的磷礦進(jìn)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(dǎo)致采空區(qū)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(yīng)力重分布，導(dǎo)致上部形成拉力帶，在危巖體后緣產(chǎn)生卸荷拉裂縫。選取的危巖體右側(cè)臨空，左側(cè)由于在開挖卸荷和風(fēng)化作雙重用的影響下發(fā)育了一組裂縫，巖體被切割成危巖體。

1.2 危巖體形態(tài)特征

傾倒型崩塌危巖體呈不規(guī)則契形狀，后緣壁存在寬8cm左右的裂縫，左側(cè)存在一個(gè)張開度約為2cm的節(jié)理裂隙，但未與危巖體后壁的裂縫貫通，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，危巖體重心仍位于鎖固段內(nèi)側(cè)，短時(shí)間內(nèi)危巖體于天然狀態(tài)下仍保持穩(wěn)定狀態(tài)。傾倒型危巖體屬于高風(fēng)化白云巖，同時(shí)危巖體發(fā)育有兩組結(jié)構(gòu)面，一組位于危巖體后緣，產(chǎn)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(tài)較為彎曲，裂面較為粗糙，另一組結(jié)構(gòu)面位于危巖體左側(cè)，產(chǎn)狀為324°∠54°，切割長(zhǎng)度為1.6m，裂隙裂面形態(tài)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(xué)特征

試驗(yàn)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(yáng)磷礦洋水礦區(qū)白云磷礦石試樣室內(nèi)巖體單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、變形試驗(yàn)、攜帶式剪切試驗(yàn)得到巖石的力學(xué)參數(shù)和變形指標(biāo)，以用于本次PFC2D模擬試驗(yàn)的基本力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 傾倒式崩塌巖石力學(xué)參數(shù)

2 傾倒式崩塌pfc2D數(shù)值試驗(yàn)

2.1 PFC數(shù)值模擬試驗(yàn)參數(shù)取值

平行粘結(jié)模型參數(shù)取值見表2。傾倒式崩塌危巖體地質(zhì)模型邊界導(dǎo)入PFC之后，利用PFC中相應(yīng)的命令流在模型邊界內(nèi)生成13716個(gè)球體，其中孔隙率為0.15，球體半徑范圍在0.1-0.6，為了監(jiān)測(cè)危巖體在整個(gè)災(zāi)變演化過(guò)程的位移和傾角，采用PFC中的mesure命令流。

表2 平行粘結(jié)模型參數(shù)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(jìn)行加載板墻體的生成，將加載板墻體的底部進(jìn)行固定，同時(shí)采用PFC命令流將加載板墻體的旋轉(zhuǎn)中心設(shè)置為加載板墻體的底部端點(diǎn)，對(duì)加載板墻體施加一定的角速度來(lái)完成加載板墻體對(duì)危巖體的加載，模型可以狀態(tài)分為5個(gè)階段，具體狀態(tài)如圖2所示。

圖2 不同加載部署模型顆粒狀態(tài)圖

①由于PFC是顆粒流離散元軟件的緣故，導(dǎo)致加載板墻體起始時(shí)無(wú)法與危巖體后緣完全接觸，因此需要對(duì)加載板墻體進(jìn)行一定位移量的預(yù)壓，使得加載板墻體能夠?qū)ξr體后緣施加作用力，此過(guò)程中可以觀察到危巖體底部顆粒受到預(yù)壓作用較為明顯。

②此時(shí)加載板墻體已經(jīng)與危巖體完全接觸，加載板墻體開始對(duì)危巖體頂部顆粒產(chǎn)生巨大的作用力，危巖體頂部的顆粒也因加載板墻體對(duì)危巖體后緣的作用力開始有了向危巖體外部?jī)A斜的速度和位移傾向，危巖體內(nèi)部顆粒也有由頂部不平衡向底部不平衡轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。

③危巖體內(nèi)部大部分顆粒處于不平衡狀態(tài)，沿著裂隙發(fā)育的方向，離裂隙尖端近的危巖體部位進(jìn)行的位移量較小，離尖端遠(yuǎn)的危巖體部位進(jìn)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(xù)通過(guò)位移開始對(duì)危巖體產(chǎn)生較大推力，危巖體頂部有大區(qū)域顆粒已經(jīng)松落，危巖體整體出現(xiàn)了較大的宏觀位移，上一階段危巖體底部出現(xiàn)的不平衡顆粒已經(jīng)對(duì)其周圍的顆粒產(chǎn)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(jìn)行貫通。

⑤加載板墻體不再對(duì)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(gè)階段形成的裂隙在本階段因重力作用開始發(fā)生大范圍的崩解，危巖體發(fā)生傾倒破壞。

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

為了監(jiān)測(cè)危巖體在整個(gè)災(zāi)變演化過(guò)程的位移和傾角，采用PFC中的mesure命令流。

對(duì)數(shù)值試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)變量在整個(gè)災(zāi)變過(guò)程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果分析可見：整個(gè)災(zāi)變過(guò)程中，傾角一直在逐步增大，但每次增量都比較小，進(jìn)行連續(xù)對(duì)比較易發(fā)現(xiàn)整個(gè)危巖體進(jìn)行了繞著危巖體底部頂點(diǎn)有持續(xù)小角度的傾倒變形，僅對(duì)比任意時(shí)刻的宏觀變化較難以發(fā)現(xiàn)差異，同時(shí)，在整個(gè)傾倒式崩塌危巖體發(fā)生災(zāi)變過(guò)程中，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的位移均隨著時(shí)間步的增加在增加，尤其以危巖體頂部設(shè)置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)所得的位移極其明顯，命令進(jìn)行到24000時(shí)步左右時(shí)，位移變化速率開始變慢，也就意味著危巖體后緣裂隙已經(jīng)完全貫通，整個(gè)危巖體基本已經(jīng)發(fā)生破壞。

3 結(jié)論

①傾倒式崩塌在數(shù)值模擬加載破壞的過(guò)程中表現(xiàn)為危巖體繞底部支座進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，巖體裂縫逐步在危巖體當(dāng)中產(chǎn)生。

②在數(shù)值模擬試驗(yàn)下，傾倒式崩塌的不平衡狀態(tài)顆粒最開始在危巖體的上部開始產(chǎn)生，然后在加載的過(guò)程中下部巖體也慢慢開始逐漸產(chǎn)生不平衡狀態(tài)顆粒。

③通過(guò)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形曲線可以發(fā)現(xiàn)，在不同位置的監(jiān)測(cè)變化速率不同，因此針對(duì)于傾倒式崩塌的野外監(jiān)測(cè)預(yù)警時(shí)，變形監(jiān)測(cè)儀器應(yīng)盡量安裝于危巖體上部能更好地監(jiān)測(cè)傾倒式危巖體的變化情況。