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崩塌体崩塌滑动以及对构筑物冲击作用
1概述
"512"地震后,我国西南地区爆发了大量灾难,包括滑坡、倒塌、泥石流和山洪等,其中倒塌灾难特殊严峻。其高速动力特性常常对沿程构筑物造成重大破坏和人员伤亡。
Cannon,Hungr[1,2]对山崩或者岩崩接受动力学模型,但大型滑坡的动力学模型的主要困难在于选择合适的物理力学参数,如何适应简洁的地形地貌条件。
大型滑坡具有超强的动力特性,对沿程构筑物造成巨大的冲击破坏。Chiou,Teufelsbaueretal[3-5]接受室内模型试验和离散元方法争论了雪崩与防护工程的动力相互作用。何思明等[6]争论了震波能量在危岩体中的输入和耗散机制。
裴向军和黄润秋等[7],运用非连续变形数值分析(DDA)方法,对危岩体在强震作用下的失稳模式、破坏规模、运动轨迹及对桥墩冲击的动力响应进行模拟争论。冀巧心[8]介绍了柔性防护网在防治倒塌中的应用。
本文以水槽试验为争论对象,以圆柱体为构筑物,运用DEM法进行数值分析倒塌体倒塌滑动以及对构筑物冲击作用,用来猜想倒塌及防护。
2建模及分析
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彻底关大桥位于国道213线都(江堰)汶(川)大路K44+235处,地震时被倒塌滚石冲垮,后经重建,新的彻底关大桥于2009年5月12日建成。由于连日大雨,2009年7月25日凌晨4:40左右,岷江右岸山体高位(落差达500m)危岩发生大面积(倒塌体总方量超过10000m3)倒塌,导致桥墩再次被冲垮(如图1所示)。

离散的颗粒的受力与运动遵循牛顿定律的基本原理,在外力的作用下,系统可以保持静态平衡,也可能产生破坏,并发生颗粒流淌。
PFC程序进行颗粒流淌模拟计算基于以下假设:
1)全部颗粒体为刚体;
2)颗粒之间的接触面积特殊小;
3)颗粒之间的接触接受弱接触分析方法进行描述,刚性颗粒允许在接触点发生重叠;
4)颗粒间接触重叠的大小与接触力相关,由力位移关系把握,且全部的重叠尺寸相对于颗粒大小来说很小;
5)全部颗粒均为圆形。

如图2所示,实际斜坡用一个水槽进行模拟,颗粒体沿水槽下滑,并与水槽底部的圆柱形桩发生碰撞,最终积累在水槽底部的水平部分。斜坡坡角为,颗粒体在坡面上的高度为H,颗粒体体积V0。坡前的圆柱体用来模拟桥墩,圆柱体距坡脚S。长度为S的存储区用来减缓颗粒体的运动。由于三维颗粒体的运动,所以考虑了碎屑流到达最终平衡形状前的水平分散。
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初始颗粒体体积V0=,斜面角度=45。水槽底前的圆柱高3m,~。
颗粒体大约由2263个颗粒组成,半径r=~,颗粒半径大小呈高斯随机分布,颗粒密度s=。
接受PFC程序进行边坡模拟时,需要输入颗粒的微观特性参数,包括颗粒体的法向刚度、切向刚度,颗粒之间接触的接触面强度参数等,见表1。
3计算结果分析
现在对倒塌体的摩擦系数及圆柱体的不同直径和位置对倒塌体的积累和碰撞力的影响进行分析。
图2是水槽模拟图,颗粒内摩擦角32,s=2m,圆柱直径d=,底板未打开。图3a)是底板打开,颗粒体在自重作用下,沿水槽滑道下滑,运行10万步图,可以看到,只有很少颗粒流到滑道下面停在圆柱前。图3b)显示计算100万步时颗粒的运动状况,可以看出更多颗粒散落在圆柱前,部分颗粒越过圆柱到圆柱后面,形状更接近半圆。图3c)是计算300万步时的侧面和俯视图,颗粒积累区形状呈半圆形,由于圆柱的影响,半圆前方有缺口,说明白圆柱对颗粒积累形状的影响。图3b)~图3d)分别是100万步,300万步,528万步的侧面和俯视图,积累体形状半圆,,,。可以看到积累半径和积累面积随着时间的增长而增长,前期,积累半径和积累面积增长快速,但是增长速度很快开头放缓,最终达到稳定。
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图4为颗粒摩擦角为32,34,38时,积累面积随时间(计算步数)的演化图,可以看出摩擦角越小,积累面积和体积达到稳定时间越短。颗粒积累过程大致分3个阶段,第一阶段面积和体积积累速度慢,斜率平缓;其次阶段积累速度加快,斜率陡升;第三阶段积累速度变缓。

图5显示不同摩擦角时,颗粒体对圆柱碰撞作用力的过程,其中,s=2m,,摩擦角分别是32,34,38。可以看出碰撞力呈动态变化,先增长到最大,在总的趋势上慢慢减小到一个稳定的静态力。摩擦角越小,达到稳定静态力时间越短。图5显示碰撞力随着摩擦角增长总体碰撞力增长。摩擦角小的时候,颗粒比较散的碰撞圆柱随着颗粒间摩擦力增长,颗粒聚集形成比较大的团块碰撞圆柱,冲击力也相应增大。

图6显示最大碰撞力与圆柱距离的大小的关系,最大碰撞力随圆柱距离的增大而减小,摩擦力越小,达到最大碰撞力时间越短。达到最大力后慢慢减小最终趋于静态力,达到平衡。
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图7显示最大碰撞力与圆柱直径的大小的关系,最大碰撞力随圆柱直径的增大而增大,并且呈非线性的关系。最大碰撞力随着直径增大快速增大,表明随着直径增大,接触面积二次方增大,所以是非线性的。
4结语
离散元可以模拟颗粒物质的流淌面积,和颗粒与结构物之间的相互作用计算分析,可以得出如下结论:
1)积累区面积和体积呈半圆扇形扩展,开头积累面积和积累体积快速增长,之后缓慢达到稳定状态;
2)颗粒内摩擦角对积累面积具有显着的影响,摩擦角越小,积累面积达到稳定时间越短。积累过程大致分三个阶段,第一阶段面积和体积积累速度慢,斜率平缓;其次阶段积累速度加快,斜率陡升,第三阶段积累速度变缓;
3)碰撞力是动态力,先增长到最大,再减小到一个稳定的静态力。摩擦角越小,达到稳定静态力时间越短,碰撞力随着摩擦角增长总体碰撞力增长。最大碰撞力随圆柱距离的增大而减小,摩擦力越小,达到最大碰撞力时间越短。达到最大力后最终趋于静态力,达到平衡。碰撞力随着直径增大快速增大。
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参考文献:
[1]Cannon,,,BritishColumbia,1989:459-468.