基于PFC-(3D)的滑坡与建筑物相互作用过程研究_王泽华.pdf

引用格式：王泽华，李昺，邢磊，等基于 的滑坡与建筑物相互作用过程研究安全与环境工程，（）：，（）：基于 的滑坡与建筑物相互作用过程研究王泽华，李昺，邢磊，龚文平（中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉 ）摘要：滑坡是我国最普遍的地质灾害，建筑物在滑坡冲击作用下的破坏过程与破坏形式是滑坡易损性研究的重要内容。为探究建筑物强度与滑坡冲击强度对建筑物破坏形式的影响规律，采用 数值软件模拟了滑坡与建筑物的相互作用过程，观察并记录了建筑物的破坏形式，并从滑坡冲击力等角度对滑坡与建筑物相互作用过程进行分析。结果表明：立柱是建筑物主要承重构件，立柱损毁情况的不同直接导致建筑物受滑坡冲击作用发生不同的破坏形式；在滑坡冲击建筑物的过程中，随着建筑物中立柱破坏数量的增加，建筑物依次呈现出局部构件破坏、向前倾倒破坏、向后倾倒破坏、整体坍塌破坏的破坏形式；建筑物中发生破坏的立柱所受滑坡冲击力在达到峰值后急剧下降，建筑物中未发生破坏的立柱所受滑坡冲击力在达到峰值后逐渐下降；通过建筑物中立柱破坏后产生的平均位移可以反映建筑物的破坏程度，在上述种建筑物破坏形式中立柱破坏的平均位移逐渐增大，说明建筑物的破坏程度依次增大。该研究结果可为滑坡灾害作用下建筑物破坏形式与破坏程度的评价研究提供理论基础。关键词：滑坡；建筑物；颗粒流；破坏形式；相互作用中图分类号：；文章编号：（）收稿日期：开放科学（资源服务）标识码（）：基金项目：国家自然科学基金项目（）作者简介：王泽华（），男，硕士研究生，主要研究方向为滑坡运动过程数值模拟和承灾体易损性评估。：，（，（），）：，；，第 卷第期 年月安 全 与 环 境 工 程 ：；我国滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害频发，年全国共发生各类地质灾害 起，其中滑坡 起，崩塌 起，泥石流 起，累计造成 人死亡，直接经济损失达 亿元。滑坡严重危及着人民生命安全，并对建筑物等基础设施造成巨大破坏。滑坡在运动过程中与建筑物之间具有复杂的相互作用机制，由于建筑物的强度不同，建筑物所承受的滑坡冲击强度也不同，因此建筑物会发生不同程度的破坏。目前，滑坡灾害中建筑物易损性的研究经历了从区域滑坡到单体滑坡、从理论推导到数值模拟的过程，并取得了较为丰富的研究成果。研究滑坡冲击作用下建筑物的不同破坏形式具有重大的科学意义和应用价值，对我国滑坡灾害治理和风险评价同样具有重大的工程意义。现有的滑坡作用下建筑物破坏行为的评估方法可大致分为类：基于滑坡灾害指标的方法，如 等和 等提出一种滑坡灾害中建筑物易损性定量评估模型，认为建筑物损伤程度为滑坡冲击强度与建筑物抵抗灾害能力的乘积，并探讨了该模型的适用性；等在前人研究的基础上，提出一种基于滑坡强度和建筑抵抗灾害能力的建筑物易损性定量评估模型，将建筑损伤程度定义为滑坡强度和建筑抗灾能力的函数，但参数指标定义主观性较大。基于建筑物受损历史数据的方法，如 等提出了滑坡冲击强度指数 理论，基于 个滑坡灾害案例计算出建筑物的损伤概率，但该方法仅适用于特定地质灾害，且没有考虑建筑物结构类型，忽略了滑坡与建筑物的相互作用过程。基于建筑物破坏机制的方法，如 等 通过 模拟了滑坡运动过程，并采用有限元模型计算了建筑物结构响应，分析了建筑物破坏机理；等 采用元素侵蚀算法模拟了建筑物破坏过程，定性分析了建筑物破坏程度，但未真实模拟建筑物的破坏特征，未考虑建筑物的不同破坏形式。本文的研究重点是模拟滑坡与建筑物的相互作用过程和分析滑坡冲击作用下建筑物的破坏形式，而离散元方法（，）可以实现上述研究目标。离散元方法是由 等 在 年创立的一种基于颗粒相互接触关系和相互作用的数值模拟方法。作为一种成熟的离散元数值模拟软件，能较为真实地反映岩土体滑移及分离等大变形情况，可有效模拟滑坡与建筑物的相互作用过程。因此，本文利用 离散元数值模拟软件，参考 等的研究内容，建立了与其相同的滑坡建筑物数值模型，探究了建筑物强度与滑坡冲击强度对建筑物破坏形式的影响规律，模拟了滑坡与建筑物的相互作用过程，观察并记录建筑物的破坏形式，并通过对比分析建筑物不同破坏形式和建筑物不同位置构件所受滑坡冲击力随时间的变化情况，研究了滑坡与建筑物的相互作用过程。数值模型构建本节介绍了滑坡建筑物数值模型的构建方法，并通过三维直剪数值试验、单轴压缩数值试验和巴西劈裂数值试验进行参数标定，确定合适的滑坡建筑物数值模型和接触细观参数，为分析滑坡与建筑物的相互作用过程提供数据基础。数值模型建模过程为了研究滑坡与建筑物的相互作用，本文参考了 等研究中建立的滑坡建筑物数值模型，如图所示。本研究中的滑坡尺寸、建筑物结构类型及尺寸均与 等研究中的滑坡建筑物数值模型保持一致，以保证模型的适用性。本文采用的滑坡建筑物数值模型由滑坡和建筑物两部分组成，并导入 数值模拟软件中，如图所示。图 等建立的滑坡建筑物数值模型 图本文采用的滑坡建筑物数值模型 安全与环境工程 ：第 卷滑坡体数值模型由尺寸为 的三棱柱颗粒体系组成。建筑物数值模型的结构形式为典型的框架结构，包含墙、板、柱等构件。建筑物在垂直于滑坡冲击方向上共有跨，每跨长度为，在平行于滑坡冲击方向上共有跨，每跨长度为，建筑物层数为层，每层层高为。规定在垂直于滑坡冲击方向上，距离滑坡最近的根立柱为建筑物第排立柱，沿滑坡冲击方向的立柱分别为建筑物第排与第排立柱。由于离散元三维数值模拟计算量较大，因此在精细化模拟时需要考虑计算效率 ，故将建筑物数值模型设置为由半径为 的颗粒紧密排列组成，且未对钢筋进行建模；墙与板的厚度为 ，柱的尺寸为 ，如图所示。将建筑物置于水平居中位置，使建筑物在滑坡运动过程中受到的冲击力较均匀。图本文采用的建筑物数值模型 目前采用 软件模拟松散土体时多选用接触黏结模型（），对于建筑物混凝土的模 拟 多 选用平 行黏结模 型（）。对于构建的滑坡建筑物数值模型颗粒体系，首先通过有限计算步数循环计算，以消除颗粒间内力，达到均匀孔隙率；然后设置重力加速度，计算消除颗粒间的内力至平衡状态；最后删除包裹滑坡体颗粒体系的墙体，使滑坡体在重力作用下滑动并冲击建筑物模型。模型接触细观参数选取 软件模拟滑坡与建筑物的相互作用过程时，滑坡运动特征和建筑物破坏形式很大程度受到颗粒间接触细观参数取值的影响。然而颗粒间接触模量、摩擦系数、黏结强度等接触细观参数与岩土体黏聚力、内摩擦角、弹性模量等宏观物理力学参数之间存在非常复杂的对应关系，目前没有可靠的校核标准和理论，因此需要进行参数标定。颗粒间接触细观参数往往是通过试错过程进行确定的 ，当参数标定得到的结果与岩土体宏观物理力学参数较为吻合时，便可将对应的颗粒间接触细观参数用于后续滑坡与建筑物相互作用过程的数值模拟 。为了探究建筑物强度对建筑物破坏形式的影响规律，本文设置了组模拟试验，假定滑坡体颗粒半径在 范围内呈正态分布。对于墙与板等非承重构件，根据 混凝土结构设计规范（）（年版），采用 混凝土的物理力学参数进行赋值。但考虑到建筑物立柱等承重构件中存在钢筋，钢筋对构件有增强作用，故立柱的强度应大于墙和板的强度。由于缺乏具体钢筋混凝土强度的数据资料，本文对组模拟试验中建筑物立柱的强度分别设置为 混凝土强度的 倍、倍、倍、倍、倍，分别对应于最小、较小、中等、较大、最大种不同建筑物强度的数值模型。在模拟过程中发现滑坡启滑 后滑坡运动速度开始减小，对建筑物的冲击力也开始减小，不再产生新的破坏。因此，在数值模拟中主要观察前 内滑坡与建筑物的相互作用过程，并观察记录建筑物的破坏形式。此外，为了探究滑坡冲击强度对建筑物破坏形式的影响规律，设置了组数值试验。根据已有关于滑坡冲击特征的研究，不同颗粒级配的滑坡体产生的冲击力不同，且滑坡体颗粒半径越大，滑坡的冲击力越大 。因此，本文通过改变滑坡体颗粒半径来模拟不同冲击强度的滑坡。建筑物立柱强度为 倍 混凝土强度，即为上组模拟试验中的最大建筑物强度，组数值模拟中滑坡体颗粒半径分别取 、，观察前 内滑坡与建筑物的相互作用过程，并观察记录建筑物的破坏形式。为了获取滑坡体接触细观参数，本文采用三维直剪数值试验对其黏聚力和内摩擦角进行参数标定。表为三维直剪数值试验试样的接触细观参表三维直剪数值试验试样的接触细观参数 接触细观参数数值模量 法向切向刚度比 模型抗拉强度 模型抗剪强度 摩擦系数（）摩擦系数（）局部阻尼 第期王泽华等：基于 的滑坡与建筑物相互作用过程研究图三维直剪数值试验参数标定 数，图（）为试样在 、种法向应力下的剪切应力剪切位移曲线，图（）为试样在种法向应力下的抗剪强度值，通过线性拟合可绘制试样的曲线，并求出试样的黏聚力为 、内摩擦角为 。可见，参数标定结果与岩土体物理力学参数基本相符，因此表中试样的接触细观参数可用于滑坡数值模拟。为了获得建筑物接触细观参数，根据已有学者对参数标定的研究工作，建筑物受滑坡冲击作用过程中同时存在受压破坏和受拉破坏，故本文采用单轴压缩数值试验对其弹性模量和单轴抗压强度进行参数标定，同时采用巴西劈裂数值试验对其抗拉强度进行参数标定，确定合理的建筑物接触细观参数。图为单轴压缩数值试验和巴西劈裂数值试验的 数值模型。采用平面墙体代替加载板，上下墙以恒定速率进行加载来进行模拟试验。本文对建筑物数值模型中的墙板构件和立柱构件分别进行参数标定，表为单轴压缩数值试验和巴西劈裂数值试验试样的接触细观参数，图为单图单轴压缩数值试验和巴西劈裂数值试验的 数值模型 轴压缩数值试验和巴西劈裂数值试验的应力应变曲线。图中为弹性模量（），为单轴抗压强度（），为单轴抗拉强度（）。对于墙板构件，参数标定结果与 混凝土抗压强度设计值 、弹性模量 、抗拉强度设计值 基本相符；同时，种强度的立柱构件参数标定结果也与设计值基本相符。因此，表中试样的接触细观参数可分别应用于建筑物数值模型中墙板构件和立柱构件的数值模拟。表单轴压缩数值试验和巴西劈裂数值试验试样的接触细观参数 模拟试样弹性模量 刚度比抗拉强度 黏聚力 墙、板试样 模拟试样 模拟试样 模拟试样 模拟试样 模拟试样 安全与环境工程 ：第 卷图单轴压缩数值试验和巴西劈裂数值试验的参数标定 建筑物强度对滑坡冲击作用下建筑物破坏形式的影响研究本节主要探究建筑物强度对滑坡冲击作用下建筑物破坏形式的影响规律，模拟滑坡与建筑物的相互作用过程，观察并记录建筑物的破坏形式，并从建筑物不同位置立柱所受滑坡冲击力的角度对其进行机理分析。为了探究建筑物强度对建筑物破坏形式的影响，不同数值模拟中滑坡体接触细观参数取值相同。不同强度建筑物立柱所受滑坡冲击力分析对于强度最小、强度中等和强度最大的建筑物，底层第排根立柱所承受滑坡冲击力随时间的变化情况，见图。由图可知：滑坡冲击建筑物时，由于种建筑物强度下建筑物前排根立柱在初次滑坡冲击后立即破坏，所承受的滑坡冲击力均达到峰值后急剧下降；随着建筑物强度逐渐增大，建筑物所承受的峰值滑坡冲击力逐渐增大。对于建筑物底层第、排外侧的根立柱所图不同强度建筑物前排根立柱所承受滑坡冲击力随时间的变化情况 承受滑坡冲击力随时间的变化情况，见图。由图可知：滑坡冲击建筑物时，由于建筑物外侧根立柱在初次滑坡冲击后立即破坏，强度最小和强度中等的建筑物所承受的滑坡冲击力均在达到峰值后急剧下降；强度最大的建筑物外侧第排立柱受滑坡冲击后立即破坏，其所承受的滑坡冲击力达到峰值后急剧下降，而强度最大的建筑物外侧第、排立柱在滑坡冲击作用下未发生破坏，其所承受的滑坡冲击力达到峰值后随滑坡运动速度减小而逐渐下降，未出现急剧下降的现象。不同强度建筑物的破坏过程分析滑坡冲击作用下不同强度建筑物的破坏过程，见图。强度最小的建筑物受滑坡冲击作用的破坏过程如图（）所示。由图（）可知：建筑物底层立柱先后受滑坡冲击作用发生破坏，建筑物整体受重力作用，直接向下坍塌；建筑物第二层立柱受滑坡冲击作用发生破坏的特征与底层相似，建筑物剩余部分持续坍塌直至完全破坏，呈现整体坍塌的破坏形式。第期王泽华等：基于 的滑坡与建筑物相互作用过程研究图不同强度建筑物侧面根立柱所承受滑坡冲击力随时间的变化情况 强度较小的建筑物受滑坡冲击作用的破坏过程如图（）所示。由图（）可知：建筑物底层