基于DEM模拟的破碎对黄土滑坡动力学特征影响研究_王杰.pdf

书书书Journal of Engineering Geology工程地质学报10049665/2023/31(2)-0502-12王杰，庄建琦，孔嘉旭，等 2023 基于 DEM 模拟的破碎对黄土滑坡动力学特征影响研究J 工程地质学报，31(2):502513 doi:1013544/jcnkijeg20220716Wang Jie，Zhuang Jianqi，Kong Jiaxu，et al 2023 Influence of fragmentation on dynamic characteristics of loess landslide based on DEM simulationJJournal of Engineering Geology，31(2):502513 doi:1013544/jcnkijeg20220716基于 DEM 模拟的破碎对黄土滑坡动力学特征影响研究*王杰庄建琦孔嘉旭牟家琦郑佳付玉婷(长安大学地质工程与测绘学院，西安 710054，中国)(西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室，西安 710054，中国)摘要为研究滑体破碎对黄土滑坡动力学过程的影响，基于 PFC2D建立了一种考虑到黄土特殊结构的可破碎离散元滑坡模型，通过改变细观强度参数生成不同强度滑体，模拟不同破碎率下的滑坡发生过程，分析了破碎对滑坡速度、流动性和堆积特征等方面的影响，再现了党川 8#滑坡从启动到停止全过程。结果表明:(1)滑体峰值速度与破碎率呈负相关，具体表现为:滑体最大运动速度随破碎率的增大呈幂函数减小。(2)破碎对滑坡流动性的促进作用可能存在某阈值点，使得当破碎率小于该值时，有效摩擦系数随破碎率的增大不显著降低，反之则迅速减小。(3)随着破碎程度的增加，滑坡堆积厚度减小，水平分布范围越广，分选降低，孔隙的分布趋于均一化，且最大堆积厚度的位置多位于地形低洼处。(4)党川 8#滑坡从失稳到停止运动总历时 28 s，局部最大速度约 17 ms1，最远滑动距离约 195 m，破碎率达到 19%。揭示了破碎对黄土滑坡动力学过程的影响，对黄土滑坡动力学研究具有一定参考价值。关键词黄土滑坡;破碎;离散元;动力学过程中图分类号:P642.22文献标识码:Adoi:1013544/jcnkijeg20220716*收稿日期:20221011;修回日期:20230321基金项目:国家自然科学基金项目(资助号:42090053，41922054)This research is supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos 42090053，41922054)第一作者简介:王杰(1995)，男，硕士生，主要从事黄土灾害地质与数值模拟方面的科研工作 E-mail:2776855770qqcom通讯作者简介:庄建琦(1982)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事工程地质力学方面的科研与教学工作 E-mail:jqzhuangchdeducnINFLUENCE OF FAGMENTATION ON DYNAMIC CHAACTEISTICSOF LOESS LANDSLIDE BASED ON DEM SIMULATIONWANG JieZHUANG JianqiKONG JiaxuMOU JiaqiZHENG JiaFU Yuting(Chang an University，College of Geological Engineering and Geomatics，Xi an 710054，China)(Key Laboratory of Western China Mineral esources and Geological Engineering，Xi an 710054，China)AbstractA fragmentable discrete element landslide model takes into account the unique structure of loess and isbuilt on the basis of PFC2Din order to investigate the impact of slide fragmentation on the dynamics of loess land-slides The landslide occurrence process under various fragmentation rates is simulated The impact of fragmentationon the landslide velocity，mobility，and accumulation features is examined in order to replicate the whole process ofthe Dangchuan 8-meter landslide from beginning to end The results show the follows(1)The peak velocity of theslide is inversely related to the fragmentation rate，as evidenced by the fact that the maximum velocity of the slidemovement falls as a power function with an increase in fragmentation rate(2)There could be a cutoff point for thefragmentation-based encouragement of landslide mobility，below which the effective friction coefficient rapidly de-clines and does not change appreciably when the fragmentation rate rises above it(3)As the degree of fragmenta-tion increases，the landslide accumulation thickness decreases，sorting decreases，the horizontal dispersion broad-ens，the distribution of pores becomes more homogeneous，and the highest accumulation thickness is frequentlyfound in low-lying terrain(4)The Dangchuan 8-meter landslide had a fragmentation rate of 19%，a maximum localvelocity of around 17 ms1，a maximum sliding distance of roughly 195 m，and a total duration from destabilizationto cease movement of 28 s It demonstrates how fragmentation affects a landslide s dynamic process，providing someuseful context for those looking into the subjectKey wordsLoess landslide;Fragmentation;Discrete element;Dynamic process0引言中国黄土总面积约 6.3105 km2，占中国陆地面积的 6.6%(徐张建等，2007)。由于黄土裂隙发育，宏观结构具类喀斯特特性，细观结构疏松多孔，干湿强度差异大等特殊工程性质，使其极易在水、力等作用下发生失稳，形成地质灾害。黄土地区地质环境十分脆弱，黄土厚度大、沟壑纵横、地形破碎、气候干燥且降雨集中，因此成为了我国地质灾害最为发育的地区之一(彭建兵等，2014;张茂省等，2016)。据不完全统计，全国近 1/3 的滑坡发生在黄土地区(Zhou et al，2002)，这些数以万计且规模不等的滑坡，已成为威胁黄土地区人类生命及财产安全的重大生态地质安全问题(黄润秋，2007)。如1983 年发生在甘肃东乡县的洒勒山滑坡，不到 30 s的时间里 3 座村庄被毁，死亡 237 人，是我国 20 世纪 80 年代最严重的灾难性黄土滑坡(闫由之等，2018);2011 年西安市“917”滑坡，造成 32 人死亡，负面影响极大(庄建琦等，2015)。已有研究表明，黄土山城兰州市从 20 世纪 40 年代至今共发生大型灾难性滑坡 20 余起，近 700 人丧生，累计直接经济损失达 7.76 亿元，截至目前受到黄土滑坡灾害威胁的人数仍高达 66.7 万，威胁财产 2600 亿元(王家鼎，1996;黎志恒等，2014)。对于黄土滑坡的研究，学者们已经做了大量的工作，主要集中在滑坡实例分析、滑坡分类、滑坡影响因素、滑坡成因机理等方面(彭建兵等，2020;孔嘉旭等，2021;郑佳等，2022)，并取得了丰富的研究成果，一定程度上促进了对黄土滑坡的认识和防控。但由于黄土的易崩解性和水敏性，使黄土滑坡在失稳后不仅表现出突发性和速度高的特点，还呈现出明显的流态化特征(许强等，2016)。普遍认为这种流态化特征的形成是因为黄土在滑坡过程中发生了液化，但是其中很多并不具备液化条件的黄土滑坡仍然表现出了很强的流动性(张茂省等，2011)。广泛认为碎屑化作用是高速远程滑坡最重要的动力学过程之一，其可能与滑坡的超高流动性密切相关。Heim(1932)认为碎屑颗粒间强烈的相互作用会导致滑坡处于流态化状态;Hs(1975)认为颗粒间碰撞产生的离散应力会减小有效正应力，从而提高滑坡运动性;Davies(1982)提出动力破碎后巨大弹性应变能的释放，会使得破碎后的颗粒随机高速运动，同时产生的弥散应力能够使颗粒间正应力减小，导致减阻效应的产生。此外，滑坡过程中持续动力破碎引起的粒径组成变化，也被认为是致使颗粒流向流态化转变、促进远程运动的另一重要原因(李坤等，2022)。以上研究都集中指出:滑体破碎会促进滑坡运动，并使滑坡向流态化转变。黄土是一种三相碎散结构体，颗粒之间的联结强度较弱，在黄土滑坡发展初始阶段，结构就已经发生大规模损伤，滑坡运动结束后破碎程度更是远高于岩质滑坡，这也就说明破碎在黄土滑坡动力学过程中扮演着更为重要的角色(周琪等，2019)。关于黄土滑坡破碎方面的研究，王家鼎等(1999)对海原大地震、通渭大地震等缓倾角、低含水量高速远程滑坡的机理进行了研究，提出了地震力在破坏滑坡体土粒间的联结使其结构解体之后，土颗粒块体会因为碰撞而粉尘化，粉尘化的黄土会进一步影响滑坡的运动，最终形成高速运动的黄土瀑布或黄土流。张茂省等(2011)认为，在低含水量情况下，黄土结构强度较高，其瓦解形成散粒过程与黄土内部孔隙气压的变化密切相关。以上研究都着力解释了黄土滑坡发生过程中结构体破碎这一宏观现象或其产生的原因，而针对破碎如何影响黄土滑坡动力学过程这一问题却研究很少。目前颗粒离散元软件 PFC 已经成熟运用于滑坡动力学的相关研究，并取得了良好效果(孟桓羽，30531(2)王杰等:基于 DEM 模拟的破碎对黄土滑坡动力学特征影响研究2022)。Zhao et al(2017)基于三维离散元数值模拟软件 PFC3D，再现了岩块顺坡下滑至撞击水平面这一过程中，滑体的动力破碎过程与碎屑物质的运动堆积过程。Lin et al(2020)开展了块体破碎物理模型试验，并结合数值模拟研究了块体的碎屑化对其运动性的影响，发现动力破碎过程不但能抑制滑坡整体的运动性，还可以促进前缘运动。以上研究均采用 PFC 数值模拟方法，精确还原了室内试验，再现了滑坡体的动力破碎过程，为解决真实滑坡的突发性、隐蔽性和不可重复性等难题提供了良好思路。图 1黏结模型示意图Fig 1Schematic diagram of bond model本文基于二维离散元数值方法，通过 PFC2D软件建立了考虑黄土原生微观结构的离散元模型，通过模拟不同破碎率下黄土滑坡的运动过程，研究了滑体强度对破碎率的影响，分析了破碎率对滑体的运动速度、流动性、堆积特征等方面的影响，反演了党川 8#滑坡从启滑到堆积的全过程。研究结果丰富了黄土滑坡动力学的内容，可为黄土滑坡灾害的防治提供参考。1研究方法黄土是一种第四纪以来形成的风成运积土，具有典型的结构性，前人研究结果表明，黄土的骨架结构系统主要由石膏胶结黏粒而成的粒集和被碳酸钙胶结在一起的粗屑颗粒共同组成，粒集和粗粒都具有一定的刚性且传力性能较好(張宗祜，1964)。粒集内部以面接触为主，粒集之间主要为点接触。土骨架在外力作用下胶结物的强度丧失是黄土结构破坏的本质，黄土在崩解溃散时，破碎首先发生在以点接触为主的粒集之间，其次是内部以面接触为主的粒集，最后才是在强烈碰撞和剪切作用下粗屑颗粒本身的破碎(胡再强等，2000)。基于这一思想，充分利用 PFC 软件内部两种黏结模型的优点，分别用于模拟黄土内部的点、面接触，建立研究黄土结构破碎的离散元黄土滑坡模型。1.1黄土滑坡的离散元建模本文选用 PFC2D(Particle flow code 2D)软件展开破碎对黄土滑坡动力学影响的相关研究，该软件利用球形粒子之间的连续相互作用运动，计算粒子位置和相对位移以及每个时步下粒子重叠量，通过力位移定律计算粒子间的接触力、能量传递以及消耗(韩振华等，2021)。PFC 内部提供两种线性黏结模型，分别为平行黏结模型(图 1a)和接触黏结模型(图 1b)。前者可在颗粒有限接触范围内同时传递力和力矩，当接触力超过黏结强度时黏结发生破坏，并退化为线性模型，此时仅存线弹性和摩擦作用，常模拟致密小孔隙材料(董建鹏等，2022);后者通过在接触点处设置法、切向强度来实现颗粒之间的黏结，不能传递弯矩，用于模拟大孔隙松散材料(周健等，2000)。考虑到 PFC 模型的基本组成单元为不可破碎的刚性颗粒且黄土内部接触关系复杂，选择采用柔性簇(cluster)的方法来模拟可破碎的黄土颗粒，综合平行黏结模型和接触黏结模型两者的优点，将前者施加于结构密实且以面接触为主的可破碎颗粒簇内部，后者施加于结构架空且以点接触为主的颗粒簇之间(图 2)。力链是相互接触颗粒群之间形成的、能够反映接触力传播路径的稳定网状链接，颗粒群通过力链来支撑重力及外部载荷(孙其诚等，2008;张炜，2018)。通过对比传统建模(图 3a)和本文采用的柔性簇建模(图 3b)生成的双轴试样力链，可以发现，405Journal of Engineering Geology工程地质学报2023图 2建模流程图Fig 2Modeling flow chart图 3不同方法形成的力链图Fig 3Force chain diagrams formed by different method柔性簇方法能够更好地反映黄土的微观结构。滑坡模型采用 PFC 中的“Ball-Wall”模型，模型边界条件(滑床)为根据真实地形生成的刚性面(wall)。在用柔性簇生成滑坡体时，为避免直接使用颗粒簇模板(clump)替换原位置球(ball)时大量重叠，建模时对传统“替换法”进行了改进优化:在一个圆形墙里面填充 ball，将其位置和半径进行储存，根据储存数据构建 clump 的模板，再生成尺寸较大的 ball，然后用模板替换掉这些尺寸较大 ball，这时所有的 clump 重叠量很小，最后用可破碎 cluster颗粒替换 clump 颗粒模拟滑坡土体。党川 8#滑坡(图 4a)为 2021 年 7 月发生在甘肃省永靖县黑方台的高速远程浅表层黄土滑坡，该滑坡发生时正值旱季，根据现场考察可以判定滑坡滑动基本类型为崩滑。选择党川 8#滑坡不仅是因为其所处党川段黄土滑坡频发，也有利于在研究低含水量滑坡体的破碎情况时，减少水对滑坡动力学过程的影响，使得模拟结果更接近真实。图 4党川 8#滑坡(a)及其模型示意图(b)Fig 4Dangchuan 8#Landslide(a)and its model(b)采用无人机获取党川 8#滑坡前后 1 1000 地形数据，基于 PIX4D 软件生成高精度 DEM 数据，建立党川 8#滑坡二维地质模型，在滑坡体不同位置设置7 个监测点，以便实时获得滑坡体运动过程中前缘、中部和后缘的运动状态(图 4b)。1.2参数选取试样的基本物理性质指标见表 1。经过多次试算，当二维孔隙率(张刚等，2007)、球半径 r 和柔性簇半径 分别取 0.24 m、0.043 m 和 0.445 m 时，生成 ball 共 39 804 个，cluster 共 1846 个，此时颗粒数量足够多且计算机运算流畅。表 1原状黄土宏观力学参数Table 1Mechanical parameters of undisturbed loess天然密度/g cm3含水率w/%孔隙度n弹性模量E/MPa泊松比黏聚力c/kPa内摩擦角/()150145052458461034036213174PFC2D软件中试样的宏、细观参数之间没有直接联系，故需要选择合适的细观参数来表征黄土试样的剪切性质和强度特征(同霄等，2019)。本文通过模拟双轴压缩试验(围压 100 kPa)进行参数标定(图 5)，将实际滑坡运动特征与模拟结果进行对比反演分析，持续调整优化细观参数，实现模拟滑坡运50531(2)王杰等:基于 DEM 模拟的破碎对黄土滑坡动力学特征影响研究动与实际运动特征大致相同。最终的细观参数见表2 和表 3。图 5双轴压缩试验模型Fig 5Biaxial compression test mode表 2PFC 接触黏结模型细观参数Table 2Mesoscopic parameters of PFClinear contact bond model黏结有效模量Ec/N m2黏结刚度比kc法向黏结强度TF/kN切向黏结强度SF/kN细观摩擦系数c黏结距离gc/m4e7163007007000011.3滑坡动力学数值模拟破碎率(B)是由 Marsal(1967)提出的一个用以度量破碎的概念。在利用 PFC 研究破碎问题时，学者们普遍采用断裂黏接数与总黏接数的比值来计算表 3PFC 平行黏结模型细观参数Table 3Mesoscopic parameters of PFC linear parallel bond model颗粒有效模量E/N m2颗粒刚度比 k黏结有效模量Ep/N m2黏结刚度比 kp法向黏结强度c/MPa切向黏结强度?c/MPa内摩擦角?/()细观摩擦系数p黏结距离gp/m50e71240e7122183004500001表 4不同破碎率水平对应的强度参数取值Table 4Value of stress parameters of pairs of different breakage rate levels组别接触黏结模型平行黏结模型破碎率 B/%法向强度TF/(1000 kN)切向强度SF/(100 kN)法向强度c/MPa切向强度?c/MPa1587、77、67、57、4719、18、17、16、1545、40、35、30、2528、29、25、23、1661037、27、17、07、0614、13、12、11、1020、19、18、17、1613、14、20、22、36111505、04、03、02、0109、08、07、06、0515、14、13、12、1143、60、70、499、156破碎率，该方法对研究结果起到了很好的促进作用(刘君等，2008;叶阳等，2020)。考虑到本文采用了两种不同的黏结模型，破碎率根据式(1)来计算:B=nc+npNc+Np 100%(1)式中:nc为断裂的接触黏结数;Nc为接触黏结总数;np为断裂的平行黏结数;Np为平行黏结总数。由式(1)可以发现，当 Nc、Np不变时，B 的大小由 nc和 np决定。在 PFC 中，试样黏结的断裂主要由颗粒间的法、切向强度共同控制(阿比尔的等，2018;许江波等，2021)。因此通过改变强度，展开不同破碎率下的滑坡运动数值模拟试验。试验共15 组，包括平行黏结法向强度(c)、平行黏结切向强度(?c)、接触黏结法向强度(TF)和接触黏结切向强度(SF)4 个变量，基本细观参数采用表 1表 3 中的值，试验结果见表 4。2结果分析2.1黄土强度对颗粒破碎的影响相关性分析常用于研究相关变量元素之间的相关程度(李可宇，2020)。基于 SPSS 软件，对破碎率与不同类型强度的相关性展开 Pearson 相关性分析，结果见表 5。可以发现，除平行黏结法向强度 c与破碎率 B 呈不显著正相关外，其余变量均与破碎率 B 极显著相关，其中接触黏结切向强度 SF与破碎率 B 的相关性最强，接触黏结法向强度 TF、平行黏结切向强度?c 次之。为进一步分析各强度对破碎率的影响，并获取它们之间的定量关系，对各变量展开多因素线性回归分析，式(2)为其回归方程(2=0.975):605Journal of Engineering Geology工程地质学报2023表 5不同破碎率下的相关性分析结果Table 5Correlation analysis results under different breakage rates强度变量破碎率/B平行黏结法向强度 c044平行黏结切向强度?c0921 接触黏结法向强度 TF0950 接触黏结切向强度 SF0988*和 分别表示在 P005 水平显著相关和 P001 水平极显著相关B=0250?c 0036 0375TF 0851SF(2)回归方程标准系数(回归方程中变量前的值)可直接反映自变量对因变量的影响程度(罗凤明等，2008)。通过式(2)不难看出强度对破碎率的影响其贡献由大至小分别为:接触黏结切向强度SF、接触黏结法向强度 TF、平行黏结切向强度?c 和平行黏结法向强度c。由式(2)，可计算出本模型中任意破碎率下的各强度参数值，且调试参数所耗时间将大幅减少。综上分析，模型中各强度与破碎率之间不仅密切相关，而且对破碎率的贡献也存在差异。其中接触黏结强度与破碎率 B 的关系最为密切，对土体破碎的贡献最为突出，这说明破坏首先发生在土体内部点接触处且破坏数量最多，结果与实际情况相符。平行黏结法向强度c与破碎率 B 呈不显著正相关，表明平行黏结法向强度的增大会加剧土体的破碎，这恰好真实反映了黄土中不同矿物种类及其粒径大小、排列方式等差异引发的在受力时表现出来的刚度和强度的不均一。2.2破碎对滑坡速度的影响为研究破碎对滑坡运动速度的影响，基于 PFC软件对滑体内部所有颗粒的速度进行了监测，并计算滑体的峰值速度 vmax:vmax=n1vin(i=1，2，3，n)(3)式中:vi为某时刻滑体内某颗粒的速度;n 为组成滑体的球颗粒总个数。图 6 反映了滑坡体在破碎率为 15 种不同情况下所能达到的最大速度与破碎率之间的关系。不难发现，滑体峰值速度与破碎率(B)整体呈负相关，这意味着破碎程度越高，其对滑坡运动性的抑制作用越显著，通过线性拟合，vmax随 B 变化规律大致符合图 6滑体整体峰值速度与破碎率的关系Fig 6elationship between the overall peak velocityof the sliding body and breakage rate幂函数关系(2=0.804)，拟合公式为:vmax=18.370B0.0863(4)2.3破碎对滑坡流动性的影响普遍认为，滑体在运动过程中的连续破碎解体，会产生剪胀和扩散作用，从而使得滑体体积逐渐膨胀，流动性不断增加(王玉峰等，2021)。滑坡流动性常用有效摩擦系数(即滑体质心点与滑坡堆积体最前缘连线的正切值)来描述(宋东日等，2022)，有效摩擦系数越小，滑坡流动性越强。图 7 反映的是不同破碎率与有效摩擦系数之间的关系。可以发现，在 B 为 0 40%这一范围内，值分布于 0.30.5 之间，随着 B 的增加整体呈减小趋势，且当 B 小于 34.8%时，随着 B 的增加缓慢减小，大于 34.8%时则加速减小。不难推测出 B=34.8%可能是破碎影响滑体流动性的一个阈值点，当破碎率增大到超过该值时，流动性将快速增强。滑坡流态化是颗粒之间摩擦碰撞共同作用的结果，存在于滑坡整个运动过程(林棋文，2022)。当滑体强度很高时，滑体较好的完整性大幅减弱了内部颗粒之间的相互作用，这是低破碎率时有效摩擦系数 较大，流动性差的主要原因，然而这种低水平的破碎并不会使得滑体在运动、堆积过程中表现出明显流态化特征。但随着结构体强度的降低、碎屑化程度不断提高，一方面促进了滑体颗粒之间的碰撞，并使其产生离散应力，导致有效正应力减小，另一方面会加剧滑体与底部产生的涨离，摩擦耗能减小从而促进滑坡远程运动。70531(2)王杰等:基于 DEM 模拟的破碎对黄土滑坡动力学特征影响研究图 7破碎率与有效摩擦系数的关系Fig 7elationship between breakage rate andeffective friction coefficient2.4破碎对滑坡堆积特征的影响图8 是破碎率分别为 1.39%(图 8a)、15.91%(图 8b)、24.73%(图 8c)和 29.33%(图 8d)时滑坡堆积图。可以发现，滑体各部位的混合情况不会随破碎率的变化而表现出明显变化;滑坡前缘运动距离与 破 碎 率 成 正 比，破 碎 率 为 1.39%时 最 短，29.33%时最长。另外，滑体的尾迹还会随着破碎率的增大而变长，此现象与破碎滑体的二元结构和反序效应耦合密切相关(申智好等，2021)。图 8不同破碎率下堆积体分布图Fig 8Accumulation distribution under differentbreakage conditions通过不同破碎程度下堆积体力链图(图 9)，可以看到最大堆积厚度随着破碎率的增大整体呈减小趋势，分别为 8.3 m、6.9 m、5.6 m 和 5.5 m，且最大厚度的分布范围与滑体的破碎程度及地形密切相关，多位于地形低洼处。这是因为破碎化程度越高，滑坡体在顺坡而下时，更容易填充低洼地形，使得后来滑体运动阻力减小，从而运动得更远，堆积体的径向分布范围越广，造成滑体的平均堆积厚度变薄;另一方面，凹凸的地形容易拦截滑坡体，使其运动状态更为紊乱，加剧滑坡体的碰撞破碎。由图 9 中还可以发现，堆积体分选程度与其破碎程度密切相关，破碎程度较小时，堆积体分选性强，大块破碎体以支撑堆叠的方式堆积，架空作用导致形成大型空洞。破碎程度增大，运动过程中颗粒之间的相互作用增强，分选程度降低，孔隙的分布趋于均一。3党川 8#滑坡动力学过程反演为验证本文采用特殊柔性簇模拟黄土破碎方法的可行性以及研究结果的可靠性，对党川 8#滑坡过程展开真实情况下滑坡动力学反演，模拟结果与滑坡前后地形剖面对比见图 10a。模拟结果显示，党川 8#滑坡总历时 28 s(图 10)，从失稳滑移到停止运动经历了一个先加速再减速的过程，最远运动距离约 195 m(图 11)，这与当地村民描述的情况基本一致。具体运动过程为:滑坡发生初始，在后缘推动下迅速失稳运动，加速 5 s 后以较高速度离开剪出口(图 10c)，10 s 后滑体基本全部离开滑源区，此时前缘碎屑物到达坡脚并与地面发生碰撞并导致其速度迅速降低，而后方未发生碰撞的区域成为滑体速度最大的部位，局部高达 17 ms1(图 10d)。滑体继续运动，前缘受地形约束而速度急剧减小并开始填平坡前地形低洼区域(图 10e)，后部在坡脚处不断碰撞破碎，导致滑坡整体运动速度降低，并在前缘颗粒铺垫作用下做减速运动(图 10f)，继续运动8 s 后运动停止(图 10g)。为了分析党川 8#滑坡运动过程中滑体的破碎情况，对滑坡体不同位置破碎率及其破碎裂纹进行了监测(图 11)，图中红色部分为滑体的破碎裂纹。结果表明，破碎率随运动位移的增加基本呈线性增大，滑体停止运动时破碎率达到最大值 19%，滑坡过程中相当一部分颗粒之间的连接发生了断裂，破碎主要分布在剪出口下方、坡脚转弯处和坡前低洼处等发生剧烈碰撞的区域。图12 为党川 8#滑坡停止运动后滑坡体的堆积情况。选择 3 处代表性区域，可以看到，堆积体前缘土体几乎全部破碎(图 12c)，地形低洼处堆积体底部的土颗粒破碎程度也较大，而其上方颗粒在一定程度上呈现出较好完整性(图 12b)，滑体后缘破碎805Journal of Engineering Geology工程地质学报2023图 9不同破碎率下堆积体力链图Fig 9Chain diagram of accumulated strength at different breakage rates图 10党川 8#滑坡时间速度模拟图Fig 10Time-velocity simulation of Dangchuan 8#landslide图 11党川 8#滑坡破碎率位移曲线及其破碎示意图Fig 11Breakage rate-displacement curve and breakageschematic diagram of Dangchuan 8#landslide程度小于前缘和地形低洼处底部(图 12a)。结合图11 中裂纹分布位置，其原因不难推断:前缘土体会在自身超高速度的裹挟下与地面产生强烈碰撞，碰撞作用是致其破碎的主要原因;底部颗粒受到上覆土层的巨大压力，在运动过程中因剧烈研磨并在地形因素的影响下发生较为强烈的破碎，最终在地形低洼处堆积。后缘在滑坡运动过程中助力前缘运动的同时，会经历与前方颗粒之间反复的振动碰撞，因此该部位滑坡体的破碎程度也会相对较高。现场勘查时发现，党川 8#滑坡前缘破碎程度最大，通过肉眼观察可以发现部分已达到细粉末状态，且从前缘往后破碎程度依次减小(图 13b、图 13c、图13d)，这对上文模拟结果是一个很好的验证。4讨论一直以来，国内外学者在研究黄土滑坡机理时，鲜有学者将黄土颗粒破碎与黄土滑坡机理联系起来，一方面是因为其本身粒径很小，认为黄土滑坡发生后黄土颗粒很难发生破碎，相比黄土颗粒破碎对滑坡机理的影响，滑体宏观的崩解更容易引起注意。另一方面，黄土滑坡的发生往往与水、地震等因素密90531(2)王杰等:基于 DEM 模拟的破碎对黄土滑坡动力学特征影响研究图 12党川 8#滑坡堆积体破碎特征力链图Fig 12Force chain diagram of landslide debris fracture characteristics in Dangchuan 8#landslide图 13党川 8#滑坡全貌及现场照片Fig 13Overall view and site photos of Dangchuan 8#landslide切相关(许领等，2009)。但通过现场勘察发现，相较于党川段的其他滑坡，当地旱季发生的党川 8#滑坡的滑坡体颗粒粒径更小。为进一步验证上述肉眼观察结果，对党川 8#滑坡堆积体上点 C E 以及附近非滑坡区 FH 共 6 个点的原状土样根据试验操作规范展开粒度分析(图 13a)，并将点 C E 和点FH 的累计含量各求平均，所得粒径集配累积曲线图见 14。可以看到，非滑坡区原状黄土曲线(初始分布)和滑坡体曲线(终止分布)相比，前者曲线明显低于后者。采用 Hardin(1985)提出的相对破碎率 Br来度量黄土颗粒的实际破碎程度，即在图 14 所示的粒径分布曲线上，定义 0.74 m 粒径截断线围成的面积为破碎势，试验前后的破碎势之差为破碎量，破碎量与试验前的破碎势之比则为相对破碎率，计算出 Br为 39.7%，这说明普遍认为不以破碎见长的黑方台黄土滑坡，黄土颗粒在滑坡过程中发生一定程度的破碎是真实存在的。结合模拟结果，破碎能够图 14党川 8#滑坡和原状黄土粒径集配累积曲线Fig 14Accumulation curves of Dangchuan 8#landslideand undisturbed loess particle size distribution对滑坡的运动速度、流动性、堆积特征和运动距离等产生重要影响，而相较于岩质滑坡，黄土滑坡的破碎不管是宏观的结构破坏还是微观颗粒破碎，都将对滑坡动力学影响更为显著。015Journal of Engineering Geology工程地质学报2023本文模拟破碎对黄土滑坡动力学影响时，破碎率这一计算指标的使用，方便了量化滑体颗粒之间黏结的破碎程度和数值模拟研究，而相对破碎率则考虑到了颗粒分析曲线的整体变化情况，并真实地反映党川 8#滑坡黄土颗粒破碎程度。破碎率和相对破碎率的使用旨在说明破碎对滑坡动力学影响显著，且黄土滑坡中黄土颗粒的破碎真实存在，其应该引起关注。但这里需要注意的是:破碎率和相对破碎率虽然都能够衡量颗粒的破碎程度，但是由于其在定义上的不同，且数值模拟的精细化程度受到诸多方面因素限制，以及滑坡真实破碎率获取也存在一定的难度等原因，两者之间很难形成准确对应关系，只能定性地体现模拟结果和真实情况之间的类似程度。而如何将这种定性的关系定量地表达出来，对于破碎对滑坡动力学影响的研究具有重要意义，需展开更加深入的研究。5结论本文在野外调查基础上，以黄土滑坡为研究对象，基于 PFC2D建立了一种模拟黄土特殊结构的离散元模型，针对不同破碎程度下滑坡动力学特征展开研究，分析了破碎对运动速度、流动性、堆积特征等方面的影响，再现了党川 8#滑坡的动力学过程。主要结论有:(1)相关性分析表明，破碎率由两种模型下不同强度共同控制，且各强度之间互相影响。回归方程表明各强度因素对破碎率的贡献率由大到小依次为:接触黏结切向强度接触黏结法向强度平行黏结切向强度平行黏结法向强度。滑坡的峰值速度与破碎率呈负相关，且破碎程度越高，其对滑坡运动性的抑制作用越显著，此外，破碎率对整体平均速度的影响规律大致符合幂函数。(2)滑坡破碎化程度的提高，除会促进滑体颗粒之间的碰撞，并使其产生离散应力，进而导致有效正应力减小外，还会加剧滑体与底部产生的涨离，使得滑坡流动性增强。此外，破碎对流动性的促进可能存在阈值点，当破碎率大于该值时，滑坡的流动性将迅速增大，反之将减小。(3)滑坡体破碎越强烈，不仅会改变滑体内颗粒之间的应力状态，还会让滑体堆积方式由大块滑体之间的支撑堆叠，逐渐排列规则并趋于均匀。这就导致随着破碎化程度的增加，滑坡堆积厚度减小，水平分布范围越广，分选降低，孔隙的分布趋于均一化，且最大堆积厚度的位置多分布于地形低洼处。(4)考虑黄土特殊结构的柔性簇离散元模型，真实还原了党川 8#滑坡从启滑到破碎再到停止堆积的过程，模拟结果表明，滑坡从失稳到停止运动总历时 28 s，局部最大速度 17 ms1，最远滑动距离约195 m，破碎率达 19%;相较于非滑坡区原状黄土，党川 8#滑坡体前缘的相对破碎率为 39.7%，表明低含水量状态下的黑方台黄土滑坡在发生后能够产生一定程度的颗粒破碎。本文研究丰富了滑坡动力学机理内容，提出了新的研究思路和方法，讨论了黄土滑坡中土颗粒也会发生破碎现象，可为今后黄土滑坡动力学研究提供参考。参考文献Abi Erde，Zheng Y，Feng X T，et al 2018 elationship between parti-cle microandmacromechanicalparametersofparallel-bondmodelJ ock and Soil Mechanics，39(4):12891301Da