基于顆粒流方法的滑坡破壞機(jī)理與強(qiáng)度分析

趙 洲，魏江波

(西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引 言

基于數(shù)值分析的滑坡破壞過(guò)程模擬、機(jī)理分析與強(qiáng)度評(píng)價(jià)是滑坡災(zāi)害研究的熱點(diǎn)之一。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)滑坡破壞機(jī)理等方面的數(shù)值模擬研究多采用有限單元法(FEM)和有限差分法(FDM)，這2種方法均假設(shè)研究體為連續(xù)體，忽略了巖土體顆粒間的復(fù)雜相互作用及實(shí)際巖土體的高度非線性行為，對(duì)大變形大位移求解尤其土質(zhì)滑坡分析也不夠理想，對(duì)整個(gè)滑坡的穩(wěn)定情況評(píng)價(jià)力度不足。顆粒流方法(particle flow code，PFC)是一種特殊的離散單元法[1-2]，通過(guò)剛性的圓形或者球體來(lái)模擬巖土體顆粒，以力-位移定律和牛頓第二定律為基本理論模擬顆粒的運(yùn)動(dòng)和相互作用，運(yùn)用特定的粘結(jié)模型將其集合于一體來(lái)模擬巖土體的整體性，用滑動(dòng)模型模擬顆粒之間的剪切運(yùn)動(dòng)及巖土體宏觀大變形，通過(guò)細(xì)觀顆粒的運(yùn)動(dòng)特征來(lái)反映宏觀巖土體的變形破壞特征。同時(shí)，顆粒流方法最大優(yōu)點(diǎn)在于不用假設(shè)滑動(dòng)面位置以及可直觀的觀察巖土體的動(dòng)態(tài)真實(shí)破壞過(guò)程[3]。

近年來(lái)運(yùn)用顆粒流方法對(duì)滑坡以及邊坡的研究也越來(lái)越多。周健等、廖彪應(yīng)用顆粒流方法分析了土體細(xì)觀參數(shù)對(duì)土質(zhì)邊坡破壞形式的影響，認(rèn)為隨著土體顆粒黏性的增大，其破壞類型從塑性破壞向脆性破壞發(fā)生過(guò)渡，并得出了顆粒流方法與傳統(tǒng)方法對(duì)均質(zhì)土坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果比較接近的結(jié)論，為邊坡穩(wěn)定性分析開(kāi)辟了一條新的途徑[3-5]。張龍以雞尾山巖質(zhì)滑坡為例，對(duì)滑坡的運(yùn)動(dòng)過(guò)程、破壞方式及堆積規(guī)律進(jìn)行了顆粒流分析，認(rèn)為摩擦系數(shù)及土體強(qiáng)度對(duì)滑體物質(zhì)在堆積區(qū)的分布具有重要影響，但對(duì)滑體的最大位移影響不大[6]。馬建全對(duì)黑方臺(tái)焦家崖頭灌溉影響下的黃土滑坡進(jìn)行了基于PFC2D的顆粒流模擬，展現(xiàn)了滑坡的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并分析了滑坡各階段的破壞特征[7]。廖靜薇基于試驗(yàn)分析與顆粒流理論，建立了粉質(zhì)粘土宏觀力學(xué)參數(shù)與細(xì)觀力學(xué)參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，提出了細(xì)觀力學(xué)下粉質(zhì)粘土邊坡的失穩(wěn)判據(jù)和邊坡安全系數(shù)計(jì)算方法，并結(jié)合實(shí)例應(yīng)用證明了顆粒流方法在土坡穩(wěn)定性分析中的有效性[8]。N.Li等利用PFC進(jìn)行了荷載作用下土質(zhì)邊坡的變形破壞機(jī)制研究，并與室內(nèi)物理模擬試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比，取得的模擬結(jié)果十分相近[9]。Valentino等通過(guò)顆粒水槽試驗(yàn)?zāi)M了顆粒流的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并采用離散元軟件PFC2D進(jìn)行數(shù)值模擬水槽試驗(yàn)，同時(shí)獲取顆粒流沖出距離和沖擊力頻譜特性[10]。唐紅梅等借助PFC2D軟件對(duì)三峽庫(kù)區(qū)龔家方2號(hào)斜坡破壞過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出模擬結(jié)果與實(shí)際破壞情況相一致的結(jié)論[11]。吳越等基于功能關(guān)系，通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)合對(duì)比，從滑坡力學(xué)特征的能量角度研究了滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的能量耗散以及滑體對(duì)承載體的沖擊作用，建立了承災(zāi)體損毀程度與滑坡沖擊作用的定量函數(shù)關(guān)系[12-15]。

由此可見(jiàn)，目前采用顆粒流方法對(duì)滑坡的研究多集中在滑坡顆粒流模型的構(gòu)建、巖土體細(xì)觀參數(shù)對(duì)滑坡破壞方式的影響、滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程的模擬、滑坡穩(wěn)定性計(jì)算的對(duì)比分析等方面，而對(duì)滑坡破壞過(guò)程中的力學(xué)機(jī)理分析、滑坡速度、動(dòng)能及沖擊力等反應(yīng)滑坡強(qiáng)度變化特征指標(biāo)的分析和研究相對(duì)較少。

利用顆粒流軟件PFC2D，以府谷縣新府山滑坡為例，建立了滑坡顆粒流模型，模擬了滑坡從變形失穩(wěn)到運(yùn)動(dòng)停止的動(dòng)態(tài)破壞全過(guò)程，分析了滑坡變形破壞特征及其力學(xué)機(jī)理，研究了滑坡強(qiáng)度的變化特征，給出了以沖擊力為表征的滑坡沖擊破壞強(qiáng)度定量分析方法。

1 滑坡概況及巖土體參數(shù)確定

1.1 滑坡概況

新府山滑坡位于陜西省府谷縣府谷鎮(zhèn)新府山安居小區(qū)北側(cè)斜坡(圖1)。該滑坡體前后緣相對(duì)高差25 m，寬約148 m，長(zhǎng)約40 m，厚約3～3.5 m，體積約1.1×104m3，坡體中部較緩，坡頂、坡腳部較陡，滑坡坡面總體近直線型，傾向東南。滑坡周界分明，左右兩側(cè)以沖溝為界。滑坡體為第四系全新統(tǒng)褐色風(fēng)積粉土，下伏上古生界二疊系棕紅色泥巖，產(chǎn)狀200°∠35°。由于坡體前緣開(kāi)挖使得坡體下部變陡，加上降雨下滲作用使得坡體強(qiáng)度降低，降雨匯集于泥巖頂面，軟化泥巖結(jié)構(gòu)，降低抗剪強(qiáng)度，從而誘發(fā)坡體沿粉土-泥巖接觸面下滑，屬典型的土—巖接觸性滑坡(圖2)。

圖1 新府山滑坡平面位置及發(fā)育特征示意圖Fig.1 Location and characteristics of Xinfushan landslide

圖2 新府山滑坡地質(zhì)剖面Fig.2 Geological section of Xinfushan landslide

1.2 滑坡巖土體宏細(xì)觀參數(shù)確定

巖土體力學(xué)參數(shù)是滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵和難點(diǎn)[16]。文中根據(jù)土樣試驗(yàn)及工程經(jīng)驗(yàn)分析，確定的新府山滑坡相關(guān)巖土體宏觀力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.

PFC賦予巖土體的是其顆粒的細(xì)觀參數(shù)，包括顆粒密度、粒徑、法向剛度、切向剛度、摩擦系數(shù)等，并通過(guò)顆粒的細(xì)觀參數(shù)來(lái)反映巖土體的宏觀特征。

表1 新府山滑坡巖土體力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock and soil mechanical parameters of Xinfushan landslide

為了獲得宏觀參數(shù)相對(duì)應(yīng)的細(xì)觀參數(shù)，利用PFC2D程序中的雙軸試驗(yàn)?zāi)Ｐ头椒?gòu)建了6 m×12 m的矩形模型(圖3)，上下墻(wall)施加壓力，左右墻模擬約束。在構(gòu)建好的矩形墻內(nèi)，用半徑擴(kuò)張法結(jié)合generate命令生成一定數(shù)量一定空隙率大小的顆粒[17-20]。為了更好的模擬巖土體的真實(shí)特征，顆粒(ball)半徑越小越好，但受計(jì)算機(jī)的容量與運(yùn)行速度的限制以及所需精度要求，可適當(dāng)擴(kuò)大顆粒半徑。最后根據(jù)土體顆粒特性，選用顆粒的接觸粘結(jié)模型，并用property命令生成接觸粘結(jié)模型。

在雙軸試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒑弥螅x予顆粒一組細(xì)觀參數(shù)及不同圍壓，進(jìn)行模擬并獲得對(duì)應(yīng)偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線，進(jìn)而獲得對(duì)應(yīng)的摩爾應(yīng)力圓。進(jìn)行大量的試算模擬，通過(guò)每一組細(xì)觀參數(shù)與不同的圍壓所獲得的摩爾應(yīng)力圓繪制出對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度包絡(luò)線并反算出宏觀參數(shù)與表1參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，獲取與表1相匹配的那組細(xì)觀參數(shù)作為實(shí)際巖土體的模擬參數(shù)。借鑒文獻(xiàn)12中的宏細(xì)觀參數(shù)的定量關(guān)系式[21]，并通過(guò)多次試算獲得了新府山滑坡巖土體顆粒的細(xì)觀參數(shù)(表2)。

圖3 雙軸試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Biaxial test model

表2 新府山滑坡巖土體顆粒細(xì)觀參數(shù)Table 2 Rock and soil microscopic parameters of Xinfushan landslide

以粉土為例，賦予表2的細(xì)觀參數(shù)，對(duì)粉土進(jìn)行圍壓分別為50，100和200 kPa的雙軸試驗(yàn)?zāi)M，并得知50 kPa圍壓下峰值強(qiáng)度為190，100 kPa圍壓下峰值強(qiáng)度為310，200 kPa圍壓下峰值強(qiáng)度為570 kPa，則可繪制Mohr應(yīng)力圓與Mohr-Coulumn破壞包絡(luò)線，計(jì)算得粘聚力約為21.3 kPa，內(nèi)摩擦角約為26.8°(圖4)。對(duì)比表1可知，表2中的細(xì)觀參數(shù)可用于后文滑坡模型模擬。

圖4 Mohr應(yīng)力圓與Mohr-Coulumn包絡(luò)線(粉土)Fig.4 Mohr stress circle and Mohr-Coulumn line(silt)

2 滑坡顆粒流模型構(gòu)建

為了更真實(shí)的模擬并反映滑坡的特性，解決傳統(tǒng)半徑擴(kuò)張法存在的巖土體層間無(wú)接觸問(wèn)題與放大系數(shù)難確定問(wèn)題，文中結(jié)合“分層下落法”的思路構(gòu)建滑坡模型，該方法不需要建立坡面約束墻和層間分界墻，不用消除浮球，且存在層間接觸[22]，與實(shí)際情況更加吻合。根據(jù)圖1尺寸與表2參數(shù)構(gòu)建滑坡模型，過(guò)程如圖5所示。

在建模過(guò)程中，以單元平均不平衡力達(dá)單元平均接觸力的1%，且最大不平衡力達(dá)最大接觸力的1.0×10-5時(shí)作為平衡條件，即循環(huán)停止，且平衡后進(jìn)行速度與位移清零。為便于區(qū)分上下層巖土體，將其進(jìn)行分組(group)，并設(shè)置不同顏色。保留斜坡邊界無(wú)剛度墻便于觀察顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的情況，其只作為參考作用，并無(wú)阻礙作用。

初始模型構(gòu)建完成后，刪除右側(cè)豎直墻(wall)，并在坡腳處建一水平剛性墻，設(shè)置其摩擦系數(shù)(friction)為1.0，用以模擬坡腳處水平地面。同時(shí)為了研究分析滑坡體應(yīng)力變化，在滑動(dòng)面上中下不同位置設(shè)置測(cè)量圓，以監(jiān)測(cè)(history)記錄對(duì)應(yīng)位置在坡體滑動(dòng)過(guò)程中的應(yīng)力變化狀況。最終模型如圖6所示。

圖5 分層下落法建模過(guò)程Fig.5 Modeling process of stratified rain fall

3 滑坡破壞過(guò)程模擬與機(jī)理分析

3.1 基于顆粒流強(qiáng)度折減法的滑坡穩(wěn)定性分析

顆粒流強(qiáng)度折減法就是將顆粒的接觸粘結(jié)強(qiáng)度和摩擦系數(shù)同時(shí)折減一定的比例，使得滑坡剛好處于臨界位移狀態(tài)，以臨界位移作為滑坡破壞判斷依據(jù)，此時(shí)，將折減前強(qiáng)度參數(shù)(n_b，s_b和fric)與折減后的臨界強(qiáng)度參數(shù)(n_bcr，s_bcr和friccr)的比值定義為滑坡穩(wěn)定性系數(shù)。其公式如下

式中n_b為顆粒的法向接觸粘結(jié)強(qiáng)度；s_b為顆粒的切向接觸粘結(jié)強(qiáng)度；fric為顆粒間的摩擦系數(shù)；n_bcr為臨界狀態(tài)時(shí)的顆粒法向接觸粘結(jié)強(qiáng)度；s_bcr為臨界狀態(tài)時(shí)的顆粒切向接觸粘結(jié)強(qiáng)度；friccr為臨界狀態(tài)時(shí)顆粒間摩擦系數(shù)。

圖6 新府山滑坡顆粒流模型Fig.6 PFC2D model of Xinfushan landslide

根據(jù)公式(1)進(jìn)行滑坡強(qiáng)度折減模擬。起初設(shè)定折減系數(shù)為1.0，逐漸增大折減系數(shù)，并進(jìn)行模擬觀察顆粒位移場(chǎng)的變化，當(dāng)折減系數(shù)增大至1.115時(shí)滑坡剛好處于臨界位移狀態(tài)，此時(shí)的折減系數(shù)即為滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)，與采用SLOP/W模塊求得的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.116的結(jié)果十分接近[23]。可知，該滑坡在自然工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但在人類工程活動(dòng)、強(qiáng)降雨等誘發(fā)因素的影響下，不排除其復(fù)活的可能性，一旦滑坡強(qiáng)度達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)，該滑坡將繼續(xù)失穩(wěn)破壞。因此，有必要對(duì)滑坡的破壞過(guò)程及其機(jī)理做進(jìn)一步分析。

3.2 滑坡破壞過(guò)程模擬與破壞機(jī)理分析

3.2.1 從變形特征分析滑坡破壞機(jī)理

選取上述強(qiáng)度折減法所求的臨界位移狀態(tài)時(shí)的細(xì)觀參數(shù)，即將巖土體細(xì)觀強(qiáng)度參數(shù)折減1.115倍，采用PFC2D程序?qū)缕茐倪^(guò)程進(jìn)行仿真模擬。

根據(jù)顆粒流模擬結(jié)果分析，滑坡在初始時(shí)段處于變形狀態(tài)，應(yīng)力重新分布，坡腳顆粒受上覆壓力作用下變形不斷積累，3.0×104步時(shí)坡腳擠壓破壞(圖7(a))。坡腳擠壓破壞后，坡體失去支撐，變形加劇，顆粒根據(jù)自身的接觸力自行調(diào)整位置，并且使得坡體中部抗剪強(qiáng)度最弱處產(chǎn)生剪切破壞。在上覆壓力作用下，變形繼續(xù)加劇，坡體中的剪切裂隙處產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)裂隙尖端應(yīng)力大于其抗剪強(qiáng)度時(shí)，裂隙尖端繼續(xù)破壞，裂隙延伸，表現(xiàn)為坡體中剪切裂隙向上下附近的粘結(jié)最弱處延伸。變形過(guò)程中，破體向下滑移，坡頂失去支撐，5.0×104步時(shí)坡頂產(chǎn)生明顯拉張裂縫(圖7(b))。當(dāng)上部拉張裂縫與中部剪切裂隙相貫通，并與坡腳擠壓破壞處相連接后，坡體將失穩(wěn)破壞，產(chǎn)生整體破壞并滑移。當(dāng)滑坡整體破壞后，上部臺(tái)階處坡頂顆粒向下滑落，達(dá)到一定時(shí)步后，其臺(tái)階之上的原滑坡后壁所形成的小邊坡失去下部支撐，1.8×105步時(shí)發(fā)生次生滑坡(圖7(c))。

圖7 不同時(shí)步滑坡破壞形態(tài)Fig.7 Failure form of landslide at different time

在滑坡變形—失穩(wěn)—運(yùn)動(dòng)過(guò)程中觀察顆粒間的粘結(jié)(即黑色短線)變化情況(圖8)，可看出，在滑坡再次失穩(wěn)破壞過(guò)程中，滑體顆粒間的粘結(jié)基本破壞，坡體愈加破碎，并順勢(shì)下滑堆積于坡腳。對(duì)于以位移分析法為主的顆粒流法，在滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)位移矢量圖可以直觀看出顆粒自動(dòng)搜索的滑動(dòng)面位置(圖9)。

圖8 t=150e4時(shí)步接觸粘結(jié)圖Fig.8 t=150e4 time step contact bond

3.2.2 從應(yīng)力特征分析滑坡破壞機(jī)理

根據(jù)滑坡破壞過(guò)程中應(yīng)力變化曲線的分析可知(圖10)，坡頂由于產(chǎn)生拉張裂縫和垮塌，所以1號(hào)測(cè)量圓內(nèi)y方向的應(yīng)力明顯減小，x方向略有減

圖9 t=150e4時(shí)步位移矢量Fig.9 t=150e4 time step displacement vector

小，最后當(dāng)滑坡破壞后，1號(hào)測(cè)量圓所在滑坡后壁處于穩(wěn)定狀態(tài)，故該位置應(yīng)力最后均趨于穩(wěn)定(圖10(a))。對(duì)于坡中由于坡體持續(xù)性向下滑移，且破碎程度不斷增大，使得2號(hào)測(cè)量圓所處位置上覆巖土體不斷減少，因而其所受豎向壓力減小，所以2號(hào)測(cè)量圓內(nèi)y方向應(yīng)力明顯降低，由于上部坡體破壞對(duì)下部巖土體的擠推作用與持續(xù)下滑使得x方向應(yīng)力起初略有增大后又稍微減小(圖10(b))。對(duì)于坡低，由于坡體下滑擠推作用及堆積作用使得3號(hào)測(cè)量圓內(nèi)x和y應(yīng)力都顯著增加(圖10(c))。

圖10 應(yīng)力變化模擬曲線Fig.10 Stress change simulation curve

4 滑坡強(qiáng)度分析

滑坡強(qiáng)度是表達(dá)滑坡所儲(chǔ)備的破壞能力及對(duì)承災(zāi)體破壞程度的一項(xiàng)重要指標(biāo)，也有學(xué)者認(rèn)為滑坡強(qiáng)度指滑坡具有的能量大小[24]，其研究對(duì)滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有重要意義。滑坡強(qiáng)度大小與滑坡規(guī)模、斜坡坡度、坡高、滑坡巖土體類型等滑坡發(fā)育特征均具有一定聯(lián)系，然而目前仍沒(méi)有一種確定的滑坡強(qiáng)度定量分析與評(píng)價(jià)的方法。一般認(rèn)為，滑坡體的位置越高、滑體體積越大、移動(dòng)速度越快，則滑坡強(qiáng)度也就越高，對(duì)承災(zāi)體的破壞能力也就越大。

為了分析新府山滑坡在變形與破壞過(guò)程中強(qiáng)度變化特征，文中從速度、動(dòng)能、沖擊力等指標(biāo)入手，間接分析新府山滑坡強(qiáng)度大小的變化特征。

4.1 滑坡速度與動(dòng)能變化特征分析

由于顆粒流模型中難以監(jiān)測(cè)出滑坡整體的運(yùn)動(dòng)速度，因此文中選取滑坡破壞后顆粒最大速度vmax進(jìn)行分析(圖11)，以及進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滑坡動(dòng)能的變化(圖12)。雖然顆粒最大速度不能代表滑坡的整體運(yùn)動(dòng)速度，但就特定滑坡而言，仍然可以反映出滑坡能量大小的變化特征。

從圖11，圖12對(duì)比可以看出，滑坡速度特征與動(dòng)能特征基本一致。滑坡在1.0×105時(shí)步破壞時(shí)，雖然速度最大，但滑坡破壞體積較小，所以此時(shí)的動(dòng)能并非最大。滑坡破壞后，由于滑鏟作用使得滑坡破壞體積增大，直至1.5×105時(shí)步時(shí)，滑坡的破壞體積和速度都處于較大狀態(tài)，此時(shí)動(dòng)能達(dá)到最大。隨后，由于滑坡在水平地面的緩慢運(yùn)動(dòng)使得動(dòng)能逐漸降低。這一變化過(guò)程也符合滑坡破壞的突發(fā)性和堆積的緩慢性特征。

因此，從速度和動(dòng)能指標(biāo)來(lái)看，新府山滑坡的強(qiáng)度在其破壞的初始階段為最高，然后逐漸變小。

圖11 顆粒最大速度變化曲線Fig.11 Maximum velocity variation curve of particles

圖12 滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程動(dòng)能變化曲線Fig.12 Landslide kinetic energy variation curve

4.2 滑坡沖擊力變化特征分析

滑坡強(qiáng)度研究的主要目的之一是評(píng)價(jià)滑坡對(duì)建筑物等承災(zāi)體的沖擊破壞能力大小，強(qiáng)度越高的滑坡，對(duì)承災(zāi)體的破壞能力也越大[25-26]。從致災(zāi)后果來(lái)看，無(wú)論滑坡動(dòng)能、速度等指標(biāo)如何變化，若不考慮承災(zāi)體自身抗災(zāi)能力特征，就滑坡自身而言，最終反映建筑物等承災(zāi)體損毀程度的變量是滑坡沖擊力大小。因此，為了分析新府山滑坡強(qiáng)度即滑坡對(duì)承災(zāi)體的沖擊破壞能力大小變化特征，文中選擇滑坡沖擊力這一指標(biāo)來(lái)進(jìn)行滑坡強(qiáng)度大小分析。

從圖11，圖12的分析可以看出，隨著新府山滑坡運(yùn)動(dòng)的停歇，其速度、動(dòng)能等呈衰減趨勢(shì)，也就是說(shuō)，在水平地面上距離滑坡坡腳不同位置(文中將其稱為坡腳距)處的承災(zāi)體，其遭受滑坡的沖擊力大小不同，破壞程度也不同。

通過(guò)在沿滑面傾向方向上不同坡腳距(用L表示)處構(gòu)建豎直剛性wall，并分別監(jiān)測(cè)滑坡破壞過(guò)程中坡腳剛性wall上的沖擊力隨時(shí)間的變化，以此來(lái)分析滑坡對(duì)不同坡腳距處建筑物的沖擊作用，從而間接反映出滑坡強(qiáng)度大小及其變化特征。通過(guò)上文模擬分析和計(jì)算，新府山滑坡的最大滑移距離約為16 m，因此，在坡腳距從0 m開(kāi)始每間隔1.0 m分別設(shè)置滑坡沖擊力測(cè)試的剛性wall，共建立17個(gè)沖擊力測(cè)試模型(圖13)，分別實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)剛性wall上的水平?jīng)_擊力大小(圖14)。

圖13 剛性wall設(shè)置示意圖Fig.13 Rigid wall setup illustration

圖14 滑坡沖擊力隨時(shí)間的變化曲線Fig.14 Variation curves of impact force with time

由圖14可知，當(dāng)坡腳距一定時(shí)，起初滑動(dòng)階段，由于滑坡速度與破壞的滑體體積不斷增大使得沖擊力隨滑坡的運(yùn)動(dòng)而增加，當(dāng)滑體減速堆積并停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，沖擊力逐漸趨于穩(wěn)定(此時(shí)的沖擊力表現(xiàn)為滑體對(duì)剛性墻的靜止土壓力)。同時(shí)，當(dāng)坡腳距不同時(shí)，沖擊力隨坡腳距的增大明顯減小。然而由于滑坡體特征及運(yùn)動(dòng)特征等因素影響，導(dǎo)致滑坡沖擊力峰值基本上接近于滑坡體失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)后的穩(wěn)定狀態(tài)下堆積體對(duì)擋墻的靜止土壓力。

對(duì)不同坡腳距上的最大沖擊力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知(圖15)，滑坡最大沖擊力Fmax與坡腳距Li之間的關(guān)系可以表達(dá)為

Fmax=761.46e-0.17/Li，(0≤Li≤16)

式中Fmax為滑坡最大水平?jīng)_擊力；Li為坡腳距。

圖15 滑坡沖擊力隨坡腳距的變化曲線Fig.15 Variation curves of impact force with Li

因此，以沖擊力表達(dá)的新府山滑坡強(qiáng)度大小隨著滑坡在水平地面運(yùn)動(dòng)距離的增大而減小，并在運(yùn)動(dòng)停止前呈現(xiàn)出指數(shù)衰減的特征。從滑坡破壞及運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析，當(dāng)滑坡體在整體發(fā)生破壞并順著滑面運(yùn)移到斜坡坡腳處時(shí)，由于具有較大的體積和速度，因而在坡腳處具有較大的沖擊力即破壞強(qiáng)度，但隨著滑坡體與水平地面的碰撞、摩擦運(yùn)動(dòng)等，滑體內(nèi)部能耗、與地面之間的摩擦能耗增加，導(dǎo)致滑體顆粒運(yùn)動(dòng)速度變緩，沖擊力減小，滑坡強(qiáng)度也隨之降低，直到滑坡停止運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度為零。

5 結(jié) 論

1)通過(guò)利用顆粒流模型對(duì)新府山滑坡失穩(wěn)破壞過(guò)程的仿真模擬及破壞機(jī)理分析，得出該滑坡變形破壞的力學(xué)機(jī)制表現(xiàn)為坡腳擠壓、坡中剪切、坡頂拉張；

2)通過(guò)對(duì)滑坡體顆粒運(yùn)動(dòng)速度和動(dòng)能的變化分析，認(rèn)為新府山滑坡的強(qiáng)度在其破壞的初始階段為最高，然后逐漸變小；

3)通過(guò)對(duì)不同坡腳距處滑坡沖擊力強(qiáng)度指標(biāo)的監(jiān)測(cè)分析，得出該滑坡對(duì)承災(zāi)體的沖擊破壞能力隨著坡腳距的增大呈指數(shù)衰減特征。