倾倒式崩塌PFC数值模拟研究

胡丁文 HU Ding-wen

（成都理工大学环境与土木工程学院，成都 610059）

0 引言

随着我国“一带一路”重大战略的构建和实施，人类工程活动不断向山区推进，越来越多的水利工程设施和道路交通设施将在我国西南山区进行建设。复杂的地形地貌，恶劣的气候条件以及高陡边坡的开挖扰动，使得危岩体崩塌发生概率大大增大。危岩体的崩塌尤其是倾倒型崩塌，由于其破坏的突发性使其成为最难预防的自然地质灾害之一，这将会严重影响自然地质灾害发生地村民的正常社会经济生活。

为研究倾倒式崩塌破坏过程，国内外学者采用建立离散型颗粒流模型并进行数值计算的方法对各种复杂地质条件的危岩崩塌进行模拟计算。如孙新坡[1]等采用离散元法对公路边坡崩塌体进行模拟，研究崩塌体动力破碎的影响；孔伟[2]通过PFC数值模拟研究了不同模式的崩塌模型，将危岩变形破坏过程主要分为裂纹初步发育阶段、快速发育阶段、裂纹贯通破坏阶段，从裂纹发育扩展方向分析典型危岩变形破坏失稳机理；罗彩梅[3]基于颗粒流程序建立粗糙斜面上的颗粒流动模型，研究颗粒在斜面上的崩塌行为。

在建立PFC2D颗粒流倾倒式崩塌数值模型前，要考虑选择合适的颗粒接触模型，合适的颗粒接触模型能够得到良好的数值模拟结果。光滑节理模型两侧颗粒球体做平面滑移现象，使用光滑节理模型可明显避免传统颗粒球体模拟生成节理面时产生的“颠簸”效应，以比较真实的情况再现节理的物理力学特征。节理面两侧岩体主体材料选择平缝接触粘结模型（Flat-Joint Model）进行模拟。刘富有等[4]通过平缝接触粘结模型不考虑节理局部颗粒接触的方向，当颗粒间的连接破坏时，能起到限制颗粒旋转的作用，得到较为符合实际的压拉比。余其品，张睿等[5-6]通过平缝接触粘结模型模拟岩体层面间的扩张及错动。

基于上述学者使用离散元颗粒流模型对崩塌的研究，本文拟运用PFC2D，通过平行粘结模型参数取值法构建倾倒式崩塌模型，通过数值计算的方法模拟分析，并总结倾倒式崩塌在不同阶段的倾角及位移的变化特征。

1 倾倒型崩塌危岩体地质概况

1.1 倾倒型崩塌形成原因

选取的倾倒型崩塌危岩体位于开阳县金中镇寨子崩塌带，研究区位于开磷集团的洋水矿区采空影响区内，区内一直以来都在对陡山沱组的磷矿进行开采。倾倒型崩塌危岩体形成的主要原因在于地下硐采磷矿，导致采空区形成，破坏了岩体的完整性，上覆白云岩由于开挖卸荷后的应力重分布，导致上部形成拉力带，在危岩体后缘产生卸荷拉裂缝。选取的危岩体右侧临空，左侧由于在开挖卸荷和风化作双重用的影响下发育了一组裂缝，岩体被切割成危岩体。

1.2 危岩体形态特征

倾倒型崩塌危岩体呈不规则契形状，后缘壁存在宽8cm左右的裂缝，左侧存在一个张开度约为2cm的节理裂隙，但未与危岩体后壁的裂缝贯通，根据现场调查，危岩体重心仍位于锁固段内侧，短时间内危岩体于天然状态下仍保持稳定状态。倾倒型危岩体属于高风化白云岩，同时危岩体发育有两组结构面，一组位于危岩体后缘，产状为124°∠33°，切割深度范围为2.1m左右，充填物主要为碎石土，裂隙裂面形态较为弯曲，裂面较为粗糙，另一组结构面位于危岩体左侧，产状为324°∠54°，切割长度为1.6m，裂隙裂面形态较为弯曲（如图1）。

图1 倾倒型崩塌危岩体示素描图

1.3 岩体力学特征

试验选取的倾倒型崩塌危岩体为灯影组灰白色白云岩岩体，采用彭红明，李霍等[7-8]开阳磷矿洋水矿区白云磷矿石试样室内岩体单轴抗压强度试验、变形试验、携带式剪切试验得到岩石的力学参数和变形指标，以用于本次PFC2D模拟试验的基本力学参数，见表1。

表1 倾倒式崩塌岩石力学参数

2 倾倒式崩塌pfc2D数值试验

2.1 PFC数值模拟试验参数取值

平行粘结模型参数取值见表2。倾倒式崩塌危岩体地质模型边界导入PFC之后，利用PFC中相应的命令流在模型边界内生成13716个球体，其中孔隙率为0.15，球体半径范围在0.1-0.6，为了监测危岩体在整个灾变演化过程的位移和倾角，采用PFC中的mesure命令流。

表2 平行粘结模型参数取值表

添加重力前将所有球体颗粒的速度、位移、线性力、接触力清零，并沿着危岩体后缘裂缝进行加载板墙体的生成，将加载板墙体的底部进行固定，同时采用PFC命令流将加载板墙体的旋转中心设置为加载板墙体的底部端点，对加载板墙体施加一定的角速度来完成加载板墙体对危岩体的加载，模型可以状态分为5个阶段，具体状态如图2所示。

图2 不同加载部署模型颗粒状态图

①由于PFC是颗粒流离散元软件的缘故，导致加载板墙体起始时无法与危岩体后缘完全接触，因此需要对加载板墙体进行一定位移量的预压，使得加载板墙体能够对危岩体后缘施加作用力，此过程中可以观察到危岩体底部颗粒受到预压作用较为明显。

②此时加载板墙体已经与危岩体完全接触，加载板墙体开始对危岩体顶部颗粒产生巨大的作用力，危岩体顶部的颗粒也因加载板墙体对危岩体后缘的作用力开始有了向危岩体外部倾斜的速度和位移倾向，危岩体内部颗粒也有由顶部不平衡向底部不平衡转移的趋势。

③危岩体内部大部分颗粒处于不平衡状态，沿着裂隙发育的方向，离裂隙尖端近的危岩体部位进行的位移量较小，离尖端远的危岩体部位进行的位移较大，且危岩体顶部有多处部位开裂。

④加载板墙体继续通过位移开始对危岩体产生较大推力，危岩体顶部有大区域颗粒已经松落，危岩体整体出现了较大的宏观位移，上一阶段危岩体底部出现的不平衡颗粒已经对其周围的颗粒产生较大的作用力，开始形成较为可观的裂隙，并在此阶段开始进行贯通。

⑤加载板墙体不再对危岩体起作用，危岩体在自身重力条件下开始破坏锁固段，前几个阶段形成的裂隙在本阶段因重力作用开始发生大范围的崩解，危岩体发生倾倒破坏。

2.2 监测数据结果分析

为了监测危岩体在整个灾变演化过程的位移和倾角，采用PFC中的mesure命令流。

对数值试验中监测变量在整个灾变过程的监测数据结果分析可见：整个灾变过程中，倾角一直在逐步增大，但每次增量都比较小，进行连续对比较易发现整个危岩体进行了绕着危岩体底部顶点有持续小角度的倾倒变形，仅对比任意时刻的宏观变化较难以发现差异，同时，在整个倾倒式崩塌危岩体发生灾变过程中，3个监测点所测得的位移均随着时间步的增加在增加，尤其以危岩体顶部设置的监测点所得的位移极其明显，命令进行到24000时步左右时，位移变化速率开始变慢，也就意味着危岩体后缘裂隙已经完全贯通，整个危岩体基本已经发生破坏。

3 结论

①倾倒式崩塌在数值模拟加载破坏的过程中表现为危岩体绕底部支座进行旋转，岩体裂缝逐步在危岩体当中产生。

②在数值模拟试验下，倾倒式崩塌的不平衡状态颗粒最开始在危岩体的上部开始产生，然后在加载的过程中下部岩体也慢慢开始逐渐产生不平衡状态颗粒。

③通过不同监测点的变形曲线可以发现，在不同位置的监测变化速率不同，因此针对于倾倒式崩塌的野外监测预警时，变形监测仪器应尽量安装于危岩体上部能更好地监测倾倒式危岩体的变化情况。