数值模拟：非连续变形分析法探究倾倒破坏过程

为了研究倾倒破坏的机理，采用非连续变形分析方法数值模拟弯曲复合式倾倒离心机试验模型的破坏过程。非连续变形分析方法既能分析结构体内的应力分布状态，同时又能够模拟块体破坏时岩块运动规律，有很强的适应性。

采用非连续变形分析方法模拟离心加速度40g情况下倾倒破坏过程，设定模型箱倾角为13°。计算迭代步数设为30000步，每步最大位移百分比为0.005。时步长设为零，程序自动根据收敛情况自动调整时步长。迭代松弛因子为1.68。设模型箱底边及左侧边墙为的边界条件为固定。

非连续变形分析程序在每一迭代步完成后，计算出各块体之间的接触力、块体之间的相互运动，得到块体之间新的接触状态，作为下一迭代步的初始条件，重新生成总体刚度矩阵，进行下一步的计算。如此反复，直至计算到给定的迭代步数或达到平衡状态，计算结束。

图8-9是实测坡顶块体水平位移曲线，单位为mm。由于激光位移测距仪量程有限，且发生垂直位移后超出其视距范围，测得位移小于20mm。图8-10是计算得到的坡顶块体全程水平位移曲线。两张图虽然标尺不同，测量的范围不同，但还是可以看到计算水平位移曲线的前一段与实测水平位移的趋势是相同的。

图8-9　实测坡顶块体水平位移曲线

从非连续变形分析数值模拟的倾倒过程看，图8-11是迭代计算过程中变形状态的一个中间结果。左边第一块产生滑动位移。第二排和第三排沿底板滑动的同时产生小的逆时针旋转，其上块体产生横向错动。第四～第十二排块体则随之产生旋转变形，沿底板各块也都产生了不同程度的错动和逆时针旋转。

图8-10　计算坡顶块体水平位移曲线

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图8-11　数值模拟中间结果之一

在图8-12中，第一块沿底板底平面产生了较大的滑移；在后面块体的推动下，第二排和第三排上面块体与其下面块体错动超过了1/2，由于重心的偏移，带动其下面块体发生旋转；第四～第十一排各顶块依次下滑，其下各块产生较大的逆时针旋转。

图8-13是30000步迭代结束后的最后图形，最下面的一块顶到固定的侧边墙，所有块体全部最后达到平衡状态。倾倒模型第四～第十一排的上层产生较大的滑移，下面各块产生逆时针旋转，形成倾倒弯曲；最后四排产生小的横向错动，变形不大，属于典型的倾倒全破坏中的稳定区。

图8-12　数值模拟中间结果之二

图8-13　30000步迭代结束，变形结束后的图形

通过对离心机模型试验结果的分析和数值模拟，对倾倒破坏的破坏形态有了新的认识:在黏聚力为零的试验条件下，倾倒破坏存在滑动区、倾倒区和稳定区，与已知的对倾倒破坏的认识是一致的。在试验中的一个发现是:在多个不同加速度值试验中，除了前三排属于滑动区，块体产生滑动外，倾倒区顶部块体也跟着滑动区块体一起滑动，也就是说，倾倒区下面的块体产生倾倒弯曲，上面块体则产生滑动，表明岩块弯曲复合式倾倒的倾倒区并不是单一运动模式，而是由顶部的滑动和下部的倾倒复合而成。换一个角度看，这种现象符合自然规律，滑动区块体产生滑动，是因为岩柱在逆时针旋转的同时，沿横节理累积位移的结果，是由于其后面各块的推动挤压下形成的。

对比离心机岩块弯曲复合式倾倒模型试验录像和非连续变形分析结果可知，滑动区、倾倒区和稳定区各块体的运动过程和变形状态相吻合，最后变形结束后各块的最终位置也是一致的。

本次试验有一定的局限性，试验所用铝合金块尺寸稍大，如果能用小尺寸模块做试验就能更好的模拟边坡倾倒的真实状态。由于可变角度模型箱的电动设备不能承受更大的加速度值，没能进一步做试验，以模拟横节理岩桥对倾倒破坏的作用。