（道路与铁道工程专业论文）地震作用下松散堆积体崩塌规模研究与应用.pdf

西南交通大学硕士学位论文第1 页 摘要 由于地震触发的崩塌灾害分布广，又多以一次性快速滑动方式出现。因此， 在震区已经成为一种不可忽视的次生灾害。正如地震灾害一样，人类不可能完 全避免地震崩塌灾害，但可以采取积极的、有效的措施来减轻这种灾害。特别 是近年来，随着我国城市化进程的加快、大型水利水电工程的兴建、经济发展 战略向西部的转移，对地震崩塌灾害预测研究发展的要求更为迫切。 松散堆积体边坡在地震作用下失稳模式主要体现为崩塌，而松散介质边坡 崩塌规模是崩塌灾害的重要指标，也是崩塌灾害中有待研究的科学问题，但国 内外对此的研究甚少。本文采用离心模型实验和数值模拟相结合的方法，研究 了不同地震烈度作用下松散堆积体崩塌规模；以此为基础，在拟静力法思想框 架下，以松散介质边坡为研究对象，根据力的平衡原理，推导出在不同地震烈 度作用下临界状态失稳范围的简化公式。以边坡底板为模型，通过离心试验和 p f c 2 d 数值模拟( 按重力相似准则，高度达2 0 4 m ) ，对此简化公式的正确性进 行比较验证，得出该简化公式的适用范围。最后以国道3 1 8 线川藏公路整治改 建工程通麦至1 0 5 道班段实际工点为例，对此研究方法的应用模式进行说明。 主要工作及研究结论如下： ( 1 ) 采用大型离心模型实验，研究了均匀颗粒堆积体和非均匀颗粒堆积体 在地震作用下的崩塌。 ( 2 ) 运用离散单元法颗粒流程序p f c 2 d ，通过大量内摩擦角够与摩擦系数 f i 关系的数值模拟，完成了实测数据内摩擦角伊与p f c 2 d 中摩擦系数p 的对应， 达到了实际散粒体工点在p f c 2 d 中能够进行模拟的目的，为下一步在p f c 2 d 中进行地震作用下散粒体颗粒崩塌数值模拟提供必要条件。 ( 3 ) 通过对地震作用下松散堆积体崩塌在p f c 2 d 中的数值模拟，研究松散 堆积体边坡的崩塌现象及规律，并将模拟结果与离心模型实验结果比较。 ( 4 ) 在上述离心模型实验和数值模拟研究崩塌的基础上，建立了一种基于 拟静力法原理的边坡松散堆积体在不同强度地震作用下崩塌方量估算的简化公 西南交通大学硕士学位论文第1 i 页 式。根据该简化公式，完成了川藏公路通麦至1 0 5 道班沿线各典型边坡工程在小、 中、大震作用下崩塌体积的计算。 关键词：松散堆积体；地震烈度；离心模型试验；p f c 2 d ；崩塌 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 a bs t r a c t c o l l a p s e a n dl a n d s l i d ew h i c ha r e t r i g g e r e db ye a r t h q u a k e w i t ht h e c h a r a c t e r i s t i c so fw i d ed i s t r i b u t i o no f t e no c c u ru n d e rs l i d i n gr a p i d l yo n eo f fm o d e ， t h e r e f o r e ，t h e yh a v eb e c o m ea nu n n e g l e c t a b l es e c o n d a r yd i s a s t e ri ne a r t h q u a k e r e g i o n j u s ta sd i s a s t e r st r i g g e r e db ye a r t h q u a k e ，t h eh u m a nc a n ta v o i dd i s a s t e r s o fc o l l a p s ea n dl a n d s l i d eu n d e re a r t h q u a k ec o m p l e t e l y , b u tw ec a nt a k ep o s i t i v e a n de f f e c t i v em e a s u r e st or e d u c et h ed i s a s t e r e s p e c i a l l yi nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h e p r o c e s so fu r b a n i z a t i o na c c e l e r a t i n gi n o u rc o u n t r y ，l a r g ew a t e rc o n s e r v a n c y a n d h y d r o p o w e rp r o j e c t se s t a b l i s h i n g ，s t r a t e g i e s o fe c o n o m i cd e v e l o p m e n t t r a n s f e rt ow e s t e r n ，t h er e q u i r e m e n to fd e v e l o p i n gt h er e s e a r c ho f f o r e c a s t i n g d i s a s t e r so fc o l l a p s ea n dl a n d s l i d eu n d e re a r t h q u a k ei sm o r eu r g e n t u n d e re a r t h q u a k e ，s u r f a c ec o l l a p s eo f t e no c c u r sw h e nt h el o o s es l o p ei si n t h ei n s t a b i l i t ym o d ea n dt h ec o l l a p s es i z eo fl o o s em e d i u ms l o p ei sa ni m p o r t a n t i n d e xi nc o l l a p s eh a z a r d s t h ec o l l a p s es i z ei nc o l l a p s eh a z a r d si sa l s oas c i e n t i f i c q u e s t i o nf o rf u t u r es t u d y ，b u tt h e r ea r ef e ws t u d i e sa th o m e a n da b r o a d t h el o o s e p a r t i c l eo fs l o pb o d yi s c h o s e na sr e s e a r c ho b j e c ti np s e u d o - s t a t i cm e t h o d f r a m e w o r k a c c o r d i n gt ot h eb a l a n c ep r i n c i p l eo ff o r c e ，t h es i m p l i f i e df o r m u l a e i ni n s t a b i l i t yo fc r i t i c a ls t a t ei sd e r i v e du n d e rd i f f e r e n te f f e c t so fe a r t h q u a k e i n t e n s i t yi nt h i sp a p e r t h es i m p l i f i e df o r m u l a ew a sv a l i d a t e db yt h ec e n t r i f u g a l m o d e lt e s tr e s u l t ( a c c o r d i n gt ot h ec r i t e r i o no fg r a v i t a t i o n a lf o r c es i m i l a r i t y ，i t s h e i g h ta t t a i n s2 0 4 m ) w h i c hu s e ss l o p eb o d yf l o o ra st h ee x p e r i m e n t a lm o d e l t a k i n gr e a lu n d e r g r o u n dp r o j e c t so ft o n g m a it o10 5m a i n t e n a n c ei nt h ep r o j e c t o ft h et r e a t m e n ta n dr e c o n s t r u c t i o no fs i c h u a n t i b e th i g h w a ya th i g h w a ys e c t i o n o fn a t i o n a lr o a d318a sa ne x a m p l e ，t h i sp a p e rw i l lc a r r yo u ta ne x p l a n a t i o no f a p p l i c a t i o nm o d e i nt h i sr e s e a r c hm e t h o d t h em a i nw o r ka n dc o n c l u s i o ni sa sf o l l o w ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 ( 1 ) g e o t e c h n i c a lc e n t r i f u g em o d e lt e s t sw e r ea d o p t e dt o s t u d y t h e a c c u m u l a t i o n sc o l l a p s eu n d e re a r t h q u a k ew h i c hi sf o r m e db yu n i f o r ma n d n o n u n i f o r mp a r t i c l e s ( 2 ) a d o p t i n gt h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c sm e t h o dt os t u d yt h er e l a t i o nb e t w e e n f r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n di n t e r n a lf r i c t i o na n g l eu s i n gp f c 2 dp r o c e d u r e ，a n ds t u d y t h ea c c u m u l a t i o n si n t e r n a lf r i c t i o na n g l ei sa f f e c t e db yg r a i nd i a m e t e r ，d e n s i t y ， a n dg r a d a t i o n ( 3 ) b yc h a n g i n gt h ea n g l eo ft h es l o p ec o r r e s p o n d i n gt od i f f e r e n ts i z e so f e a r t h q u a k ei n t e n s i t y ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n so ft h ea c c u m u l a t i o n sc o l l a p s ec o u l d b er e a l i z e di np f c 2 dp r o c e d u r e ，a n dc o m p a r et h ed i f f e r e n c eb e t w e e ns i m u l a t i o n r e s u l t sa n dr e s u l t so fg e o t e c h n i c a lc e n t r i f u g em o d e lt e s t s ( 4 ) h a v i n ge s t a b l i s h e das i m p l i f i e df o r m u l a ew h i c hi su s e dt oe s t i m a t et h e c o l l a p s e sv o l u m eo fl o o s es l o p e u n d e re a r t h q u a k eb yu s i n gp s e u d o s t a t i c m e t h o df o r p r i n c i p l e a c c o r d i n g t ot h i s s i m p l i f i e df o r m u l a e ，t h ec o l l a p s e s v o l u m eo fl o o s e s l o p e o fr e a l u n d e r g r o u n dp r o j e c t so ft o n g m a it o 10 5 m a i n t e n a n c ei nt h ep r o j e c to ft h et r e a t m e n ta n dr e c o n s t r u c t i o no fs i c h u a n t i b e t h i g h w a ya th i g h w a ys e c t i o nh a sb e e nc a l c u l a t e d u n d e rl a r g e ，m i d d l e ，s m a l l e a r t h q u a k e k e y w o r d s ：l o o s es l o p e ；e a r t h q u a k ei n t e n s i t y ；c e n t r i f u g a lm o d e lt e s t ；p f c 2 d ； c o l l a p s e 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书： 2 不保密讧使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：勘季字 h 期： 2 0 口8 i i 2 5 指刷雠：讯 惜、天参。t ，越。 西南交通大学曲南父逋大宇 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其它个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均 已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：毛；季宇 日期：2 0 孵年i1 月丛日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 在山地、丘陵和比较崎岖的高原地区，地震一般都会引起不同程度的崩塌。 崩塌是陡坡土大块的多裂隙的岩体在地震力或重力作用下突然崩落的现象。而我 国是一个多山多震的国家，历史上曾发生过许多次强烈地震，由地震触发的崩塌 数以千计，地震触发的崩塌具有成群出现、数量众多、分布区广的特点。地震引 发的山体崩塌，造成的损失和破坏具有量大面广的特点。在我国占国土面积三分 之二的山区( 山地3 3 、高原2 6 、丘陵1 0 ) ，均有不同程度的山地灾害。由于 突发性灾害暴发突然、来势凶猛、倾刻成灾，故极易造成人员伤亡和财产损失。 据统计【l 】 2 1 ，全国地质灾害的损失约占整个自然灾害损失的3 5 ，其中，滑坡、 崩塌和泥石流所造成的损失约占地质灾害损失的5 5 。近十年间损失超过万元以 上的崩塌、滑坡、泥石流灾害事件3 万多次，平均每年造成的直接经济损失达3 6 亿元年。仅2 0 世纪以来，地震崩滑就造成上万人死亡，数亿美元的财产损失， 特别是在山岳地区，地震崩塌等造成的损失，往往大于地震直接造成的损失【3 l 【4 j 。 据历史记载，1 7 1 8 年6 月1 9 日甘肃省通渭南7 5 级地震，通渭城北笔架山一 座山峰崩塌、滑坡，压死四千多人。甘谷北山南移( 滑坡) 掩埋永宁全镇及礼辛留 村的一部分，死伤约三万多余。1 9 3 3 年8 月2 5 日四川叠溪7 5 级地震，千年古城 叠溪即为地震滑坡和崩塌所毁灭，五百余人葬生。叠溪城南5 公里之岷江东岸小 关子村为一个滑坡所毁，使5 7 人葬生。岷江西岸的烧炭沟、吉白沟、龙池、石咀 等十个村寨，地震时皆随山崩而倒。其中靠近岷江的烧炭沟、龙池、白腊等村， 完全崩入江中，踪迹全无。在叠溪附近，岷江山体崩塌、滑坡堆积成三座高达1 0 0 多米的天然堆石坝，将岷江完全堵塞，成为堰塞湖，后因水浸坝决，酿成空前的 大水灾。 我国近些年来地震崩塌灾害也时有发生，特别是在西南和西北地区的强地震 都触发了大量崩塌，酿成了严重后果。如1 9 9 6 年2 月3 日在云南省丽江县城以北 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 4 0 k i n 发生的7 0 地震，这次地震在1 2 0 0 0 k m 2 范围内诱发了至少4 2 0 处中小型崩 塌和3 0 处大中型滑坡，造成房屋倒塌、桥梁毁坏和公路堵塞n2 0 0 8 年5 月1 2 h ，汶川发生8 0 级地震。震中波川县海拔1 3 2 5 米，周围有茶坪山脉、邛崃山脉 等众多山体围绕，地形复杂。发生地震后，公路大部损毁，震区山体大块崩塌， 或山体松动。灾区又多阵m 天气，造成大量的边坡垮塌，诱发了数以千计的滑坡 与泥石流。滑坡体堵塞清水河及其支流红石河，形成堰塞湖。地震造成大量山体 崩塌、滑坡和泥石流等山地灾害，特别是崩塌给道路造成危害，使从所有方向通 往震中地区的汶川映秀镇和多个重灾区的道路中断，这正是造成此次地震救援困 难的主要原因。沿岷江流域包括汶) j i h 茂县，从都江堰、汶川往上游到茂县，再 到松潘，沿河2 0 0 多公里的距离，有21 亿立方米的滑坡崩塌体，而塌体主要就 分布在汶川到茂县之间，汶川地震引发的破坏性比较大的崩塌、滚石加上滑坡等， 比唐山地震的次生地质灾害要严重得多，在抢险救灾和灾后重建过程中，要谨防 地震加剧山体滑坡、崩塌、泥石流灾害的发生，从而引发更多的次生灾害。图1 - 1 、 1 - 2 为地震诱发的山体崩塌。 图1 - 15 1 2 汶川地震后映秀镇山体崩塌全景 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 麟 - 1 锰 图1 - 25 1 2 汶川地震引发山体崩塌毁坏道路 出于地震触发的崩塌分布广，又多以一次性陕速滑动方式出现。因此，在震 区已经成为一种不可忽视的次生灾害。正如地震灾害一样，人类不可能完全避免 地震崩塌灾害，但可以采取积极的、有效的措施来减轻这种灾害。比如在山区城 市和厂矿企业的地震小区划中、在进行边坡附近的重要建筑物的规划设计中、或 者当铁路、公路经过山区沟谷、河岸、黄土源边地带时，对岩土边坡地震崩塌的 可能性进行危险性预测。加强地震崩塌灾害预测研究，对人类地质环境的妥善保 护和国上资源的合理丌发具有斗分重要的意义。特别是近年柬，随着我陶城市 化进程的加快、大型水利水电工程的兴建、经济发展战略向西部的转移，对地震 崩塌灾害预测研究发展的要求更为迫切。 我国是一个多山的国家，山地面积约占国土面积的2 ，3 ，这就从客观上决定 了我崮有大量的自然边坡。我国正处于快速发展时期，大量的水电枢纽、公路、 铁路及矿山等工程的建设会出现很多边坡问题，诸如“南水北调”工程等。同时， 我国地处世界上两条最活跃的地震带之i 叫，东有太平洋地震带，西有喜马拉雅山 一地中海地震带。我国强震分布广，破坏性地震几乎遍布各省，萁中西部地区地 震活动强，频度高。近年来的地震活动表明我国地震活动正趋于活跃，再加上对 地震边坡稳定性分析研究还不深入，没有比较成熟可靠的评价方法与标准可遵循， 这一点从抗震规范的有关条文能够体现出来。地震边坡所引起的灾害的严重性与 麟 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 独特的自然地理环境密切相关，更与人类的经济发展与分布状态、工程布局密切 相关。 随着我国西部大开发战略的深入，重大土木工程已开始向高烈度地震区延伸， 如正在建设的与成昆铁路并行的西攀高速公路，沿着著名的攀西大断裂行进，有 6 5 公里位于度高烈度地震区；新近开工的雅安泸沽高速公路工程场地位于川 西南山地，场内地震活动频繁，断裂构造发育，滑坡、泥石流、崩塌等不良地质 现象发育，还存在软岩及破碎岩质边坡失稳、软土地基、库区浸水及冰水堆积物 地区筑路等特殊工程问题，其中、v i i 地震路段长达1 4 2 k r n ；拟开工的国道3 1 8 线川藏公路整治改建工程通麦至1 0 5 道班段位于藏东南深切峡谷区，区内地震活 动频繁，工程场地地震基本烈度高达度：这样对地震作用下崩塌、边坡破坏机 理及抗震技术的研究，就成为我国西部道路工程建设的重大需求。 1 2 本课题研究概况分析 1 2 1 松散体介质边坡研究现状 我国西南地区具有较大工程意义的堆积( 填) 体边坡主要有滑坡堆积体边坡、 崩塌堆积体边坡及人工堆填体边坡。边坡是自然或人工形成的斜坡，是人类工程 活动中最基本的地质环境之一，也是工程建设中最常见的工程形式。作为全球性 三大地质灾害( 地震、洪水、崩塌滑坡泥石流) 之一的边坡失稳塌滑严重危及到国 家财产和人们的生命安全。随着我国基础建设的大力发展，在矿山、水利、交通 等部门都涉及到大量的边坡问题，因此对边坡的正确认识，合理地设计、适当的 治理，把边坡失稳造成的灾害降低到最低限度，是岩土工程界的学者和工程设计 人员必须考虑的问题。 边坡在自然与人为因素作用下的破坏形式土要表现为滑坡、滑塌、崩塌和剥 落。滑坡( s l i d e s ) 是斜坡部分岩土体在重力作用下，沿一定的软弱面，缓慢地整体 向下移动，具有蠕动变形、滑动破坏和渐趋稳定三个阶段，有时也具有高速急剧 移动现象。滑塌( s l i p s l u m p s ) 是因开挖、填筑、堆载引起斜坡的滑动或塌落。一般 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 较突然，粘性土类边坡有时也会出现一个变形发展过程。崩塌( f a l l s l u m p s ) 是整个 岩土体块脱离母体，突然从较陡的斜坡上崩落、翻转、跳跃、堆落在坡脚，规模 巨大的称为山崩，规模较小的称为塌方。剥落( f a l l s ) 是斜坡岩土长期遭受风化、侵 蚀，在冲刷和重力作用下，岩( 土) 屑( 块) 不断沿斜坡滚落堆积在坡脚。 边坡失稳破坏产生的滑坡、滑动、沉陷、泥石流、岩崩，这些在表面上看似 斜坡岩土体运动的不同表现形式，但随时都有可能带来严重的破坏，甚至是灾难。 目前，国内外对于松散体介质边坡的研究主要表现在： 董志高、吴继敏等【6 】采用反应谱法考虑地震作用的动力特性，使用有限元方法， 分析地震作用下崩塌堆积体边坡的稳定性；结合具体的工程实例，分析按反应谱法 考虑的有限元计算结果的应力、位移变化，给出了安全系数计算方法，并与拟静力法 计算结果进行对比分析，表明其方法较合理，从而探讨了反应谱法在崩塌堆积体边 坡稳定性分析中的应用前景。 肖汉忠【7 】以华莹山复式背斜沥滇峡背斜山体的东南坡的浸口滑坡为例，概述 了该松散体滑坡概况及影响因素，并运用有限元数值计算分析，对松散体滑坡发 育机理进行探讨。 赵建军、巨能攀等【8 】研究了西南地区某松散堆积体工程边坡的结构特征，根据 地形条件确定了合理的开挖坡比，采用二维有限元研究了开挖边坡的变形机理并 根据模拟结果确定潜在滑动面，在此基础上，提出支护对策。 骆银辉、何建华等【9 】结合典型的工程实例进行了分析探讨，并强调了松散滑 坡及土体滑坡的勘察及加固设计中应遵循的基本原则。 张元才、傅荣华等【1 0 】紧密结合天山公路地质灾害的勘察实践，从地质灾害发 育的工程地质条件着手，分析散粒体边坡发育分布特征、形成演化机制以及影响 因素，在室内物理模拟的基础上分析散粒体边坡的动力学特性，根据颗粒物质的 运动特征建立起运动模型，然后运用非线性科学理论对各种现象进行合理的解释， 在以上工作的基础上建立适合天山公路实际情况的模糊数学综合评判体系，最后 提出针对重点灾害点的具体防治措施。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 胡定、潘亨永、杜建成【1 1 】使用平面离散元法d e c ) 和有限元法对小湾水电站 左岸坝前堆积体在自然状态下的稳定性初步进行了二维数值计算与分析，得到该 堆积体应力和变形状态的定量结果，对堆积体的稳定性有了相应的认识。 李树武、聂德新等【1 2 】以澜沧江中上游乌弄龙电站坝前大型堆积体为例，介绍 该类碎屑堆积体的强度参数、粒度组成等工程特性的评价方法，并进行稳定性计 算。研究结果与现场调研结果较吻合，此研究方法对于大型堆积体的研究具有借 鉴意义，对于类似工程问题具有参考价值。 陈砺、祁豫疆【l3 】以小湾水电站左岸坝前堆积体为例，根据地勘试验成果，通过 对堆积体的物质组成、下伏基岩岩体特征、成因机制、可能变形破坏的机制进行 分析，论证其自然状况及工程施工和运行期间的稳定性。 陈红旗、黄润秋等【1 4 】以堆积体边坡的空间工程效应为切入点，运用地质工程 分析、数值模拟和物理试验等多种手段，通过对两个大型堆积体边坡的实例对比 研究，剖析了堆积体的形态、结构、环境、演化等空间要素；提出惯性聚集，剩 余下滑力扩散等空间效应机制，提出了堆积体变形失稳的空间特征，堆积体变形 失稳控制途径。 杨庆华，姚令侃等【l5 】基于拟静力离心模型试验原理，采用砂堆模型离心试验 的崩塌性状来概化和模拟地震作用下松散体斜坡崩塌的动力学特性。研究成果能 为松散体斜坡的抗震设计提供可靠依据，具有重要的理论和现实意义。 1 2 2 边坡稳定的分析方法研究 ( 1 ) 极限平衡法 极限平衡法是用来近似求解土力学稳定问题的传统方法，也是构造滑移线场 非常好的近似方法。它从选定的破坏面形状中寻找最危险的滑移面的位置，虽然 这些形状是假设的，但是通常可以给出满意的结果，采用这个方法需要假设沿滑 移面的应力分布，这样才能列出平衡方程，问题就转化为简单的静力学问题。值 得注意的是，滑移面两侧的应力均不能很好的满足固体力学方程，极限平衡法利 用了极限分析的上限规则基本原理，即利用一个假想滑移面求得一个最小上限， 但是没有精确满足上限解的要求，而且基本不考虑土体运动学条件，平衡条件也 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 是有限意义下的满足。因而极限平衡解不一定是一个上限解，也不一定是一个下 限解。然而任何极限分析的上限解显然会是一个极限平衡解。这种方法获得的各 种解在t e r a z h g i 和t a y l o r 的著作中以图表的形式给出，目前在实践中仍然被广泛 应用【1 6 1 。 ( 2 ) 极限分析法 极限分析方法将土体看作服从流动法则的理想塑性材料，基于这种理想土体 材料性质，当外力达到某定值时，可在外力不变的情况下发生塑性流动，此时 边坡岩土体处于极限状态，所受的荷载为极限荷载。边坡岩土体的极限状态是介 于静力平衡与塑性流动的临界状态，极限状态的特征是：应力场是静力许可的，应 变率场( 或速度场) 是机动许可的。静力许可的应力场应满足区域上的平衡条件、 屈服准则以及力边界条件；机动许可的应变率场( 或速度场) 应满足几何条件及速 度边界条件。只有同时满足静力许可的应力场和机动许可的应变率场( 或速度场) 的解答才是真实解。但是由于边坡岩土材料的不连续性、各向异性和非线性的本 构关系以及结构在破坏时呈现的体胀、软化、大变形等特性，使求解边坡稳定问 题变得十分困难和复杂。在工程实践中寻找能基本反映边坡岩土体特性的简化方 法，始终是人们长期探索的一条途径。 ( 3 ) 有限单元法和有限差分法 由于极限平衡方法存在着诸多问题，并且近十多年来计算机技术得到了迅猛 发展，因此，人们将各种数值方法引入到边坡稳定性研究中来。这些模拟方法为 数值模拟计算和分析提供了重要的技术手段。应用数值计算可以进行各种类型的 分析，比如静力、动力、多场祸合等等，也可以考虑各种非线性因素，包括材料 非线性，几何的非线性，边界条件非线性。边坡分析中常用的数值方法包括有限 单元法( e f m ) 、离散单元法( d e m ) 、有限差分法( d f m ) 、运动单元法( k e m ) 等等。 有限单元法和有限差分法是近年来比较活跃的一种边坡稳定分析方法。目前根据 有限单元法和有限差分法分析结果来评价岩土体稳定性方法大致可以分为两类： 第一类是采用刚体极限平衡法原理分析有限单元法和有限差分法计算结果，和刚 体极限平衡法的计算步骤一样，根据一定的安全系数定义方法来寻求最小安全系 数和最危险滑动面，这种方法可以称之为间接法；另一类方法是直接法，这种方 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 法直接使用有限单元法或有限差分法，通过不断降低边坡岩土体强度或增加岩土 体的自重使边坡岩土体达到临界状态，得到边坡的安全系数。 ( 4 ) 经验分析法 早期的的经验分析方法只限于赤平极射投影法，它仍然是基于极限平衡理论， 根据边坡结构体在平面上的点、线、面的角距关系，从几何学的角度，确定岩体 的形状及重力作用下的滑动趋势。近年来，随着概率论、模糊数学和人工智能技 术引入到边坡稳定技术分析中来，出现了如灰色理论方法、贝叶尔可靠性估算( 概 率法) 、灰色专家系统分析法、神经网络法等一系列新经验分析方法。总的说来， 将极限平衡法和数值分析方法相结合，无疑是当今边坡稳定性计算的一大特点， 但由于边坡破坏影响因素的不确定性，采用概率论、模糊理论和人工智能技术， 使多种理论相互结合、相互补充的综合分析方法，是当今和今后发展的一大趋势。 ( 5 ) 离散单元法 离散单元法( d e m ，d i s e r e t ee l e m e n tm e t h o d ) 是1 9 7 1 年c u n d a l p a t l 。7 】首次提出 的，于2 0 世纪8 0 年代中期由王泳嘉引入我国【1 8 】。离散单元法的理论基础是最简 单、最基础的牛顿第二运动定律，其基本原理是将所研究的区域划分为一个个多 边块体单元，单元之间通过接触关系，建立位移和力的相互作用规律，相当于有 限元中的物理关系，通过迭代使得每一个块体都达到平衡状态。在离散元法分析 中块体的运动没有变形协调的问题，每个块体只是根据其受力的大小按牛顿定律 而运动，甚至可以脱离母体而下落，能够反映岩块之间接触的滑移、分离和倾翻 等大位移，特别适用于节理岩石和敖粒体材料边坡稳定分析。 ( 6 ) 非连续变形分析法 非连续变形分析法( d d a ，d i s e o m i n u o u sd e f o r m a t i o na n a l y s i s ) 是石根华【1 9 】于 1 9 8 8 年提出来的，与离散元法一样，适用于非连续介质如节理岩石边坡的稳定分 析。节理面切割岩体形成不同的块体单元，单个块体内部满足连续介质的变形协 调方程和本构关系，但块体间不满足变形协调关系，块体间的本构关系是通过假 定刚度来实现的，非连续变形分析法中的本构关系即为块体所受的合外力与块体 位移之间的关系。从理论上讲非连续变形分析法是一种广义化的有限元法，它源 于有限单元法，又有自己的特点。在非连续变形分析中对于每个块体都可以有自 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 己的位移和变形，对于整个系统而言则可以允许块体之间的滑动和块体界面表现 为裂缝的张开和闭合。变形计算采用块体坐标更新的办法，适合于求解非线性大 变形的问题。 1 2 3 颗粒离散元法发展与应用 离散元法的思想源于较早的分子动力学( m o l e c u l a rd y n a m i c s ) 。1 9 7 1 0 u n d a l l t 2 0 】 提出适于岩石力学的离散元法，1 9 7 9 年c u n d a l l 和s t r a c k 2 1 】又提出了适用于土力 学的离散元法，并推出二维圆盘( d i s c ) 程序b 6 皿和三维圆球程序t r u b a l ，形 成较为系统的模型与方法，被称为软颗粒模型；1 9 8 0 年w a l t o n 2 2 】用来研究散体 流动并有所发展；同年c a m p b e n 2 3 1 提出了硬颗粒模型并用于分析剪切流，稍后发 表了相应的研究成果。1 9 8 9 年英国a s t o n 大学t h o r n t o n 引入c u n d a l l 的t r u b a l 程序，从发展颗粒接触模型入手对程序进行了全面改造形成t r u b a l a s t o n 版，后定名g ra m ，e 。它完全符合弹塑性圆球接触力学原理，能模拟干湿、 弹性一塑性和颗粒两相流问题。l e e d s 大学等校也利用它用于模拟等。l e e d s 大学 的g h a d i r i 研究组，s w a n s e a 大学o w e n 的研究中心( 以有限元离散元法结合见 长) ，在英国d e m 研究较深入的还有s u r r e y 大学的t i i z i i n 研究组( 以d e m 模拟和 实验研究见长) 等。他们在英国多次举办相关主题的学术会议，促进了颗粒离散元 法的发展。法国在散体实验方面( 如土力学和谷物储运过程) 较突出，多数人直接 采用p f c 2 d ( p a r t i c l ef l o w c o d ei nt w od i m e n s i o n s ) 或者p f c 3 d ( p a r t i c l ef l o w c o d ei nt h r e ed i m e n s i o n s ) 进行d e m 分析，也有人用类似方法研究，如r a d j a i 2 4 j 等 用力网络法，m o r e a u i 2 5 1 用接触动力学研究剪切区问题，学者b a r d e t 和p r o u b e t 2 6 1 【2 7 】应用理想的二维颗粒集合体模拟了粒状材料中剪切带的结构，对剪切带的厚 度、带内位移、孔隙比、体应变以及颗粒旋转等进行了研究。h u a n g t 2 8 1 用颗粒流 模型模拟在砂岩掘进过程中，岩体内因应力的变化而引起的裂隙发展规律。 澳大利亚新南威尔士大学余艾冰( a b y u ) 的研究中心进行了多方面的d e m 模拟，c s i r o ( c o m m o n w e a l t hs c i e n t i f i c i n d u s t r i a lr e s e a r e ho r g a n i s a t i o n ) 研究所的 c l e a r y l 2 9 】用离散元法模拟了不少工程问题。荷兰、德国和加拿大等国也有进展。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 离散元等方法的研究又出现了不少改进模型和方法，初步形成了以固体接触 力学和流体力学为基础、颗粒细观力学为体、颗粒技术为用的具有交叉特征的计 算散体力学学科。国际散体细观力学大会自1 9 8 9 年起，先后在法、英、美、日召 开，出版论文集，其中离散元法研究占有一定比重。世界颗粒技术大会、化学工 程大会等也有文章发表。国际英文期刊中( ( p o w d e rt e c h n o l o g y ) ) 、 p a r t i c u l a t e s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) ) 和a d v a n c e dp o w d e rt e c h n o l o g y ) ) 常有这些方面的文 章发表。 我国离散元研究起步相对比较晚，始于2 0 世纪8 0 年代王泳嘉引入c u n d a l l 的离散元法进行岩石力学和颗粒系统的模拟。此后块体元应用以边坡、危岩和矿 井稳定等岩石力学问题居多，如李世海掣3 0 1 对边坡开挖的研究。王泳嘉【3 1 】编著的 离散单元法及其在岩土力学中的应用对离散元法的原理和应用做了详细的论 述。 我国散体力学研究文章散见于力学和各工程期刊，中国颗粒学( ( p a r t i c u o l o g y ) ) 于2 0 0 3 问世，国内外的学者在此刊物发表了关于颗粒学领域中的研究、工程和应 用方面的优秀原始论文，包括颗粒测试与表征、颗粒制备与处理、流态化、气溶 胶和超微颗粒等。它反映中国颗粒学研究的最新成果、及时追踪国际颗粒学领域 的最新动态。国内周健，池永等【3 2 】【3 3 】【3 4 1 应用颗粒流理论模拟了砂土和粘性土平 面应变试验的应力应变关系曲线和剪切带形成过程的模拟；张洪武等【3 5 】建立了 非线性接触本构模性模拟了颗粒圆筒二维平面应变的数值试验。国内同济大学、 东北大学、中国矿业大学、中科院岩土所、长江科学院、清华大学等多家单位均 对离散元法的开发与应用进行了积极的研究。利用离散元法中个别块体可以脱离 母体而冒落的特点，王泳嘉、刑纪波将其应用于放矿的数值模拟和自然崩落机制 及底部的稳定性研究，并取得很好的成绩。之后作为国家“八五重点科技攻关 项目，清华大学采用离散元对三峡工程永久船闸高边坡开挖进行了模拟分析，给 出了不同工况下的安全性分析。中科院地质所对爆破荷载作用下边坡的松动及破 坏范围用离散元进行了模拟，定量评价了爆振对岩体边坡的松动作用范围。在边 坡稳定研究方面，我国学者用模型实验在边坡失稳的瞬间连续拍摄的相片与离散 元的计算结果对照，二者结果吻合，再次证明离散单元法的数值模拟可以代替昂 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 贵的相似材料模型实验。刘建武根据s t e w a r t 和b r w o n 提出的静态松弛法，首次 在我国开发了静态松弛离散元程序，并结合二滩电站模型实验的资料进行计算， 结果比较满意。鲁军、刘楚汉开发了三维离散元的自动剖分系统并初步应用于拱 坝坝肩的稳定性分析【3 6 】。 颗粒流理论及其数值实验平台p f c z d 和p f c 3 d 在国外己取得一些研究成 果。在德国盖尔森基兴举办了第一届颗粒流数值模拟大会召开和在日本京都大学 举办第二届颗粒流数值模拟大会。目前，离散单元法作为一种公认的数值方法， 几乎已经渗透到了岩土工程的所有领域：巷道支护；边坡工程：地下开采；动载 问题；冰雪力学；核废料的处理；散体介质问题；断裂力学；自然界的风蚀、崩 塌和泥石流；节理岩桥问题。 1 3 主要研究内容、思路及技术路线 本文在广泛调研国内外文献资料的基础上，采用大型土工离心模型实验和数 值计算相结合的方法进行研究。 土工离心模型实验和振动台模型实验是近2 0 3 0 年迅速发展起来的崭新的 土工物理模型技术。离心模型实验通过施加在模型上的离心惯性力使模型的容重 变大，从而使模型的应力与原型一致，这样就可以用模型反映原型。离心模型是 各类物理模型中相似性最好的模型。我国岩土力学研究的开拓者黄文熙先生称“离 心模型是土工模型实验技术发展的里程碑”。离心模型实验的方法在国内外受到 广泛的重视，模型实验技术也有了飞速的发展与进步，实验的研究内容已涉及几 乎所有的岩土工程研究领域p 。 在岩土工程研究领域，室内模型实验和数值模拟方法是两种重要的研究手段。 室内模型实验可以得到直观、清晰的结果，但室内模型实验具有成本高、布设测 点可操作性差、测试数据偏少、边界条件难以控制等缺点；而数值模拟方法成本 低，可重复性好，但具有本构模型简单、不能完全反映真实土体材料性质等缺点。 将室内模型实验和数值模拟方法结合起来，它们在一定程度上可以互相弥补缺陷。 对于数值模拟而言，可以通过室内模型实验得到的现象和测试数据验证和调整模 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 型参数，以使数值模型最大程度地接近真实情况。而对于室内模型实验而言，通 过验证的数值模型可以进行大量的不同工况和材料参数的重复性实验，大大减少 实验成本，并且数值模拟方法可以在应力、应变、变形等方便提供更为丰富的实 验结果。 以拟静力法思想为框架，开展了以拟静力离心模型实验为基础，辅之以 p f c 2 d 程序进行数值模拟，就松散体边坡在地震作用下的崩塌规模与地震烈度大 小之间的关系开展试验研究：在上述离心模型实验与数值模拟研究崩塌的基础上， 对松散体边、滑坡在地震作用下的崩塌规模与地震烈度大小之间的关系进行推导， 得出对散粒体介质边坡灾势评估理论式。结合川藏公路通麦至1 0 5 道班沿线1 8 个松散堆积体边坡工点，在不同地震烈度作用下对其进行崩塌规模计算，以崩塌 体积为对象划分边滑坡的崩塌规模，对在不同地震作用下边坡可能造成的灾害做 出评估，从而对不同地段边坡的灾势做出评价，为抢险救援工作起到一定的预警 和指导作用。 基于目前国内外对松散体介质边坡的研究多集中在稳定性评价上，但在这些 研究中，有关地震作用下松散体介质边坡崩塌规模的研究鲜有报道，而对于铁路、 公路松散体边坡地质灾害，其地震作用下的崩塌规模分析对于边坡崩塌稳定性评 价以及防治工程尤为重要。在国道3 1 8 线川藏公路整治改建工程通麦至1 0 5 道班 段普遍存在着河流阶地、坡积物、泥石流堆积扇以及崩坡积体组成的几类松散体， 而该路段又处于地震频发地区，因此，研究该类松散体边坡在地震作用下的崩塌 规模很有理论和实际工程意义。 本文的研究技术路线如图1 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 图1 - 3 研究技术路线 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 第2 章地震作用下松散堆积体崩塌实验研究 土工离心模型实验技术是近二、三十年迅速发展的一项崭新的土工物理模 型实验技术。离心模型实验是研究小比例尺模型由于在离心机所形成的离心力 场中能达到与原型相同的应力水平，通过施加在模型上的离心惯性力，补偿因 模型缩尺为原型的1 n 而造成的自重应力损失，使模型的应力水平与原型的一 致，而得到与原型相同的应力状态、位移变化、相似的塑性区发展和变形破坏 过程，