边坡地震破坏过程和塌落体影响范围的离散元模拟及试验验证

汶川地震灾害表明，西部高山深谷的自然边坡和基础设施建设形成的人工边坡在强震作用下的破坏会造成重大的人员伤亡和财产损失。有效预测边坡地震破坏过程和塌落体影响范围有助于边坡震害预测、事前防治和震后减灾。然而，基于小变形和连续体假设的传统有限元方法不能很好的模拟大变形和不连续体，本研究尝试采用离散元方法来模拟边坡（特别是土石混合体边坡）地震破坏过程并预测塌落体体积和堆积形态，较好地模拟地震致滑坡过程所包含的大变形、塌落体的高速滑移和滚落以及重新堆积。首先通过对动三轴单元试验的离散元模拟，建立动本构关系中宏观力学参数与离散元中颗粒力学参数的关系；其次，在离散元中实现地震动输入、传输边界条件模拟和薄弱面模拟等边坡抗震分析关键技术，并将其用于二维和三维边坡问题分析，研究顺坡向裂隙、水平地震走向和竖向地震的影响以及浅表层滑坡和深层滑坡的成因和判断；最后，通过离心机振动台试验来验证数值模拟方法的有效性。

本研究结合汶川地震背景，在现场踏勘和文献调研全面了解历史上大规模的或有典型性的边坡震害基础上，利用数值方法和离心机试验等研究手段，探索了用离散元方法模拟边坡地震破坏过程和塌落体影响范围的关键技术。主要研究进展包括：（1）对颗粒流程序（PFC）分析动力学相关问题进行了探讨，建议采用粘性阻尼和混合加载方式，通过双轴试验标定材料颗粒力学主要参数；利用二维和三维程序分别研究了荷载峰值、频率和边坡坡角等对平面和三维边坡动力破坏过程及塌落范围的影响；建立了边坡动力破坏过程及塌落范围的颗粒力学模拟的成套分析技术；结合汶川地震中的牛眠沟滑坡实例，选取典型滑坡断面，采用PFC2D对其运动破坏过程进行模拟，较好地还原了其地震破坏过程及其高速远程滑坡碎屑流运动和堆积的情况，显示了颗粒流方法良好的工程应用价值。（2）完成了3个二维问题的离心机振动台试验，观察加速度放大系数等主要动力响应参数，总结了边坡抗震离心机试验的经验教训。（3）利用程序平台提供的用户接口编制程序，实现并验证了适用于ABAQUS的三维单屈服面模型，为后续模拟边坡抗震提供了一种材料本构模型选择。.我们按原定计划开展了研究，并根据实际情况做了必要的调整和变动，取得了预期的研究成果，基本完成了考核指标，迄今为止，本课题在国内外刊物、会议上发表论文6 篇，EI已收录4篇，另两篇待EI收录。1人次参加国际会议组织工作，专题报告1次，培养毕业工学博士研究生1名、工学硕士研究生2 名。