摘要:高密度顆粒流動(dòng)現(xiàn)象與許多崩滑碎屑流類(lèi)似，顆粒柱體崩塌試驗(yàn)一直是崩滑碎屑流動(dòng)力研究的有效方法。基于野外柱狀危巖體的成生及運(yùn)動(dòng)邊界條件，在顆粒圖像測(cè)速技術(shù)支持下，開(kāi)展了一系列單面臨空的顆粒柱體三維崩塌-堆積試驗(yàn)。結(jié)果表明:顆粒柱體的高寬比a值決定了其失穩(wěn)模式和堆積形式，當(dāng)a<1.5時(shí)，柱體臨空側(cè)顆粒沿著庫(kù)倫破壞角運(yùn)動(dòng)，但柱體底部一部分顆粒仍保持不動(dòng)，當(dāng)a≥1.5時(shí)，顆粒體發(fā)生下沉-剪切-推出破壞，隨后發(fā)生復(fù)雜的崩塌流動(dòng)-堆積過(guò)程;柱體內(nèi)顆粒呈近似的二維運(yùn)動(dòng)，柱體外則呈類(lèi)扇體的擴(kuò)展堆積，且圓心在X軸上往前移動(dòng)，顆粒的運(yùn)動(dòng)與堆積的相關(guān)參數(shù)均可采用a的多個(gè)冪指數(shù)函數(shù)來(lái)定量刻畫(huà)。高柱體的崩塌堆積試驗(yàn)結(jié)果可為壓潰式柱狀危巖體的運(yùn)動(dòng)評(píng)估及防治提供較多啟示。

　　關(guān)鍵詞:顆粒柱體;崩塌-堆積;顆粒圖像測(cè)速;速度場(chǎng);破壞過(guò)程

　　地質(zhì)論文投稿刊物：中國(guó)地質(zhì)調(diào)查以“宣傳地質(zhì)調(diào)查重要理論和技術(shù)研究成果，介紹地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域新發(fā)現(xiàn)和地質(zhì)調(diào)查工作部署，探討地質(zhì)學(xué)理論認(rèn)識(shí)和技術(shù)方法創(chuàng)新，搭建地學(xué)領(lǐng)域信息交流平臺(tái)”為辦刊宗旨。

　　0引言

　　我國(guó)西南地區(qū)是危巖體崩塌的高發(fā)區(qū)域，柱狀危巖體發(fā)生失穩(wěn)解體形成的碎屑顆粒向前方開(kāi)闊地段運(yùn)動(dòng)，開(kāi)闊地段是山區(qū)人們社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的集中區(qū)域，災(zāi)難性崩滑事件常導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。坐落在挪威西部Loen湖西南部的拉夫內(nèi)吉爾斜坡，在1905至1950年期間共發(fā)生7次大型崩塌，總計(jì)方量近3×106m3，先后奪走上百條人命[1]。在我國(guó)也發(fā)生過(guò)幾起高陡危巖體解體失穩(wěn)事件，1980年湖北宜昌發(fā)生鹽池河大型崩塌，崩塌山體的體積約1×106m3，崩塌堆積物摧毀多處建筑物，造成上百人遇難[2]。2004年重慶市金佛山甑子巖危巖帶發(fā)生大型崩塌災(zāi)害，崩滑體在崖腳運(yùn)動(dòng)距離近800m，幸運(yùn)的是由于預(yù)警及時(shí)，尚未造成人員傷亡[3]。

　　上述危巖體均具有相似的工程地質(zhì)條件，且碎裂化程度較高。由此可見(jiàn)，高陡柱狀危巖體失穩(wěn)的影響范圍廣且破壞力強(qiáng)，碎屑流對(duì)其運(yùn)動(dòng)途徑上人民的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了極大威脅。由于顆粒柱體的高密度顆粒流動(dòng)現(xiàn)象與許多大型柱狀崩塌碎屑流動(dòng)力過(guò)程類(lèi)似[4]，針對(duì)顆粒柱體的崩塌問(wèn)題，大量的物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究很早就已經(jīng)開(kāi)展[5-9]。

　　水平面上顆粒狀柱體崩塌試驗(yàn)是顆粒流物理試驗(yàn)和數(shù)值試驗(yàn)中最經(jīng)典的案例之一，LUBE等[10]利用物理模型試驗(yàn)，分析了顆粒柱體測(cè)得初始堆積體的高寬比a對(duì)失穩(wěn)后顆粒體的運(yùn)動(dòng)-堆積特征的影響，并定量化得到了顆粒體最遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)距離與初始堆積體的高寬比的關(guān)系。與此不同地，NGUYEN等[11]為實(shí)現(xiàn)顆粒體的真二維斷面觀測(cè)，采用鋁棒作為試驗(yàn)材料，模擬了二維剖面上鋁棒堆積體的崩塌試驗(yàn)。LAJEUNESSE等[12]開(kāi)展顆粒體崩塌試驗(yàn)，認(rèn)為顆粒體崩塌的過(guò)程是在動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上由顆粒間相互作用控制的。

　　IONESCU等[13]基于迭代分解—協(xié)調(diào)公式法和增廣拉格朗日法建立數(shù)值模型，進(jìn)行的二維模擬很好地再現(xiàn)了坍塌顆粒柱的動(dòng)力學(xué)機(jī)制和堆積過(guò)程。國(guó)內(nèi)學(xué)者李祥龍等[14]、王玉峰等[15]和陸鵬源等[16]則針對(duì)復(fù)雜的地形進(jìn)行了顆粒流動(dòng)-鏟刮分析，得到了復(fù)雜地形下高密度顆粒堆積特性與鏟刮規(guī)律。基于大量柱狀危巖體在我國(guó)西南山區(qū)集中發(fā)育，且該區(qū)域中崩塌災(zāi)害事件頻發(fā)。前人僅在單純二維或三維斷面中研究了顆粒崩塌運(yùn)動(dòng)規(guī)律，揭示了顆粒體的運(yùn)動(dòng)-堆積特性，但由于邊界條件的設(shè)定尚不能很好地與現(xiàn)實(shí)中柱狀危巖體崩塌運(yùn)動(dòng)-堆積建立有機(jī)聯(lián)系，本文則建立新邊界條件開(kāi)展物理模型試驗(yàn)，運(yùn)用自行研制的崩塌試驗(yàn)裝置，對(duì)柱狀顆粒體崩塌的運(yùn)動(dòng)-堆積現(xiàn)象進(jìn)行深入地研究分析。所得試驗(yàn)結(jié)果對(duì)揭示柱狀危巖體失穩(wěn)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制和失穩(wěn)堆積特征有著重要意義。

　　1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　IVERSON等[17]和王玉峰等[15]都開(kāi)展了高密度顆粒流物理試驗(yàn)與滑坡/崩塌-碎屑流研究，提出了相關(guān)相似性準(zhǔn)則。他們都認(rèn)為完全相似很難實(shí)現(xiàn)，但通過(guò)主要因素的相似可實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡-碎屑流動(dòng)力學(xué)特性影響因素的近似相似。采用在重力相似條件下，取幾何相似系數(shù)CL=λ，重力加速度相似常數(shù)Cg=1，密度相似系數(shù)Cρ=1時(shí)，速度相似系數(shù)為槡λ，時(shí)間相似系數(shù)為槡λ，力相似系數(shù)為λ3，其他物理量可進(jìn)行類(lèi)推。

　　這一相似性原理，可保證顆粒柱體崩塌動(dòng)力觀測(cè)具有現(xiàn)實(shí)的科學(xué)意義。由于三維切割邊界發(fā)育問(wèn)題，大量柱狀危巖體實(shí)質(zhì)上是“嵌固”在母巖中，例如重慶南川甑子巖崩塌[18]和重慶巫峽箭穿洞危巖體[19]。甑子巖在2004年發(fā)生了崩塌碎屑流災(zāi)害[13]，從邊界條件來(lái)看，這些柱狀危巖體只有一個(gè)臨空面方向，類(lèi)似二維顆粒狀柱體崩塌的邊界條件。但巖體破壞-解體離開(kāi)“嵌固”的“二維”區(qū)域后，破碎的巖塊運(yùn)動(dòng)方向不再受約束，類(lèi)似三維顆粒柱體崩塌的全開(kāi)放邊界條件，邊界條件的差異顯然會(huì)造成相關(guān)動(dòng)力特征的差異[20-21]。

　　根據(jù)這些實(shí)際案例的三維邊界情況，概化形成了本次顆粒柱體崩塌試驗(yàn)的邊界條件，即柱體和三側(cè)擋板垂直立于水平面上，僅柱體的一扇門(mén)受控開(kāi)放。以上述危巖體為原型，根據(jù)邊界條件和相似準(zhǔn)則，構(gòu)建了顆粒柱狀崩塌動(dòng)力觀測(cè)系統(tǒng)和試驗(yàn)平臺(tái)。試驗(yàn)平臺(tái)由柱狀玻璃體、門(mén)、開(kāi)門(mén)滑輪裝置、水平板、高速工業(yè)相機(jī)和計(jì)算機(jī)及相關(guān)控制軟件等構(gòu)成。

　　柱狀玻璃體的尺寸為20cm×20cm×80cm，該柱狀箱體中的一側(cè)擋板由重物+滑輪裝置高速向上抽出。二臺(tái)高速工業(yè)相機(jī)的像素均為2560×2048，能夠識(shí)別0.1mm的顆粒，圖像采集頻率為100Hz，圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。一臺(tái)相機(jī)鏡頭朝顆粒初始流出方向的垂直方向(Y軸)上觀測(cè)XZ面情況;另外一臺(tái)則垂直懸掛在頂上，觀測(cè)水平面(XY面)情況。計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、相關(guān)設(shè)備的管理控制和顆粒圖像速度解析。顆粒圖像速度解析利用較為成熟的粒子圖像測(cè)速技術(shù)(ParticleImageVelocimetry，PIV)，這一技術(shù)采用非接觸式測(cè)量，能在同一瞬態(tài)記錄下大量空間點(diǎn)上的速度分布信息[22]。

　　試驗(yàn)采用的顆粒為白色和黑色的灰?guī)r巖粒，為了更接近野外實(shí)際情況，其形狀是無(wú)規(guī)律、形態(tài)各異的次棱角狀。顆粒進(jìn)行了精細(xì)篩分，分為5±1mm、7±1mm、13±1mm和15±1mm等4種粒徑范圍。顆粒密度、堆積密度、休止角和底面摩擦角等材料性質(zhì)如表1所列。根據(jù)本次研究目標(biāo)與內(nèi)容，進(jìn)行了試驗(yàn)組次設(shè)計(jì)。試驗(yàn)A1—A8主要采用顆粒D7開(kāi)展不同柱體高度的崩塌試驗(yàn)，試驗(yàn)A9—A17則采用不同粒徑和不同柱體高度進(jìn)行試驗(yàn)。

　　試驗(yàn)中重物的重量為20kg，放置高度約為1.5m;當(dāng)重物釋放時(shí)，柱體的門(mén)就被高速向上抽出。由于門(mén)從門(mén)框內(nèi)抽出的時(shí)間非常短暫，對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)基本沒(méi)有影響。同時(shí)，針對(duì)第A6組試驗(yàn)進(jìn)行了四次重復(fù)試驗(yàn)。試驗(yàn)所記錄數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，采用該裝置系統(tǒng)進(jìn)行顆粒柱體崩塌試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)結(jié)果具有很好的可重復(fù)性。因此，采用本試驗(yàn)裝置得到的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果具有較好的準(zhǔn)確性，可以用于相關(guān)物理力學(xué)過(guò)程分析。

　　2顆粒柱體崩塌失穩(wěn)模式與運(yùn)動(dòng)過(guò)程

　　以往研究表明，重力作用下顆粒柱體崩塌的主要控制因素是柱體的幾何形狀，可采用無(wú)量綱高寬比a(又稱(chēng)為形狀系數(shù))進(jìn)行描述，有a=Hi/di，其中Hi為初始高度，di為柱體寬度。柱體失穩(wěn)后，殘留在柱體內(nèi)的高度為Hc，運(yùn)動(dòng)最遠(yuǎn)距離為d∞。在單純的二維和三維柱體顆粒崩塌運(yùn)動(dòng)中，NGUYEN等[11]認(rèn)為a≤0.65時(shí)，LAJEUNESSE等[12]認(rèn)為當(dāng)a≤0.7(三維時(shí)a<0.74)時(shí)，LUBE等[10]認(rèn)為當(dāng)a<1.15時(shí)，柱體的初始頂面會(huì)少量保留。在本次研究中發(fā)現(xiàn)a<1.5時(shí)，會(huì)出現(xiàn)這類(lèi)現(xiàn)象。這種臨界值不同的原因可能與試驗(yàn)所采用的材質(zhì)及顆粒形狀等有關(guān)。更加有意義的是，根據(jù)全場(chǎng)瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)矢量，發(fā)現(xiàn)當(dāng)a<1.5和a≥1.5時(shí)，矮或高的柱體運(yùn)動(dòng)方式及其機(jī)制有較大差異。不同顆粒粒徑在這一方面表現(xiàn)基本相同。

　　2.1矮柱體的顆粒運(yùn)動(dòng)方式

　　以A2試驗(yàn)(a=1)為例，利用形態(tài)和速度場(chǎng)來(lái)說(shuō)明a<1.5時(shí)矮柱體的顆粒運(yùn)動(dòng)方式。首先從顆粒體的瞬時(shí)形態(tài)演化來(lái)看，矮柱顆粒體的破壞更像沿著最終坡面發(fā)生的流動(dòng)。但柱體內(nèi)的顆粒破壞面(破壞面角度約為55°)并不是柱體內(nèi)最終形成的坡面。顆粒的運(yùn)動(dòng)-堆積形成了最終的坡面，大量處于破裂面和最終坡面之間的顆粒都不是原位的，都是發(fā)生了位移而更替出現(xiàn)的。通過(guò)速度場(chǎng)來(lái)看，在破壞面之上顆粒先后發(fā)生不同程度的運(yùn)動(dòng)，破壞面之下顆粒基本保持靜止。在運(yùn)動(dòng)中，每個(gè)時(shí)刻顆粒流動(dòng)層或運(yùn)動(dòng)的顆粒并不完全相同。

　　矮柱體運(yùn)動(dòng)可分為3個(gè)典型階段:

　　(1)初始(破壞面形成)階段。展示了門(mén)被抽出瞬時(shí)顆粒的典型速度場(chǎng)，較大速度的點(diǎn)陣形成了一個(gè)靠近門(mén)的梯形。速度方向近乎垂直，少量向臨空側(cè)偏轉(zhuǎn)。顯示重力向下傳遞，顆粒相互擠壓且形成了水平向分力。速度場(chǎng)的形成實(shí)質(zhì)上形成了剪切滑移破壞面。這一階段基本在門(mén)被抽取時(shí)瞬時(shí)完成。在動(dòng)力顯示上，集中在柱體前緣0.1m高度處的顆粒以0.015m/s的速度開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，也是柱體破壞前蓄能階段。

　　(2)破壞(剪切滑移-水平推出)階段。初始階段完成后，顆粒立即進(jìn)入這一階段。破壞面之上柱體內(nèi)大多數(shù)顆粒的運(yùn)動(dòng)方向與破壞面平行。在柱體外顆粒的運(yùn)動(dòng)方向起初都是基本呈水平運(yùn)動(dòng)的。在門(mén)附近，運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。顆粒通過(guò)斜向下運(yùn)動(dòng)穿過(guò)門(mén)后，顆粒主要從柱體中下部推出。在這一階段的早期，柱體內(nèi)越靠近坡頂和臨空側(cè)，速度越大，速度達(dá)到0.6m/s;這一階段的后期，柱體內(nèi)破壞面與頂面中間顆粒的速度更大，出現(xiàn)顆粒從柱體中部推出現(xiàn)象，前緣顆粒速度達(dá)到0.9m/s。顆粒體在柱體外的瞬時(shí)平面形態(tài)上為類(lèi)矩形。當(dāng)顆粒基本從中部開(kāi)始推出后，意味著顆粒體進(jìn)入了表面流動(dòng)階段。

　　(3)后破壞(表面顆粒流動(dòng))階段。顆粒的運(yùn)動(dòng)僅在淺表層發(fā)生，從柱體內(nèi)向外流動(dòng)，柱體外的表層顆粒也向外輻射流動(dòng)。柱體內(nèi)淺表層顆粒速度均較小，距表層一定距離的速度相對(duì)大，形成少量位移調(diào)整。箱體內(nèi)表層顆粒速度以順坡向外為主，在流動(dòng)過(guò)程中逐漸變大，大部分表層顆粒的速度高達(dá)0.9m/s。箱體外，顆粒呈放射狀向外流動(dòng)，其平面形態(tài)為圓度更高的類(lèi)矩形。從表層顆粒流動(dòng)至靜止，這一階段的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。從矮柱體破壞的形態(tài)和運(yùn)動(dòng)可知，矮柱體的破壞模式類(lèi)似折線型滑動(dòng);隨著滑面法向的變化，滑動(dòng)方向發(fā)生變化。從力的角度來(lái)看，矮柱體的失穩(wěn)方式為剪切滑移-水平推出，即柱體內(nèi)沿破壞面剪切滑移，柱體外沿底面水平推出。

　　2.2高柱體的顆粒運(yùn)動(dòng)方式

　　A11試驗(yàn)的a值為3，是一個(gè)典型的高柱體。從顆粒體的瞬時(shí)形態(tài)來(lái)看，高柱體的運(yùn)動(dòng)演化進(jìn)程和矮柱體的不一樣。柱體內(nèi)也存在破壞面，但在運(yùn)動(dòng)早期上部顆粒存在明顯的整體下落。同時(shí)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，柱體外顆粒瞬時(shí)形態(tài)的圓度明顯高于矮柱體的。高柱體運(yùn)動(dòng)也可分為4個(gè)典型階段:

　　(1)初始(破壞面形成)階段。與矮柱體類(lèi)似，門(mén)被抽出瞬時(shí)，高的顆粒柱體應(yīng)力重新分布，形成剪切破壞面。柱體內(nèi)顆粒根據(jù)速度矢量方向可分為兩個(gè)大區(qū)域，一個(gè)是位于柱體上部的顆粒，其速度方向垂直向下，該區(qū)域顆粒速度值較小，在0.2～0.3m/s之間;另一個(gè)是接近破壞面和臨空面的區(qū)域，其速度傾斜向下，最大的速度達(dá)到0.5m/s左右，這一區(qū)域是平行于破壞面(傾角50°)的剪切帶，這一剪切帶非常厚，在A11試驗(yàn)t=0.08s時(shí)約為0.2m厚。

　　(2)破壞階段(下沉-剪切滑移-水平推出)。根據(jù)初始階段形成的速度場(chǎng)，顆粒柱體開(kāi)始破壞。在柱體內(nèi)部，上部顆粒開(kāi)始下沉運(yùn)動(dòng)，大體速度達(dá)到0.6m/s。顆粒經(jīng)由厚的剪切層從下部水平推出，下部顆粒速度最大速度達(dá)到近1m/s。隨著顆粒下沉和向外推出，箱體內(nèi)外高度差減少后，下沉現(xiàn)象消失，轉(zhuǎn)而為剪切-水平推出。

　　(3)后破壞I階段(顆粒崩塌流動(dòng)-堆積)。柱體內(nèi)的顆粒水平或順坡向流出，然后在柱體外呈扇形分散流動(dòng)。從高柱體破壞的形態(tài)和運(yùn)動(dòng)可知，高柱體的破壞模式類(lèi)似錯(cuò)落-滑動(dòng)。這一階段與矮柱體的后破壞類(lèi)似，不同的是，高柱體的流動(dòng)明顯分為2個(gè)區(qū)域，一個(gè)是從柱體內(nèi)向外崩塌流動(dòng)并堆積;另外一個(gè)是柱體外扇體外圍的分散流動(dòng)。該階段顆粒速度達(dá)到整個(gè)破壞過(guò)程的最大，速度值達(dá)1.2m/s，此時(shí)，形成的類(lèi)扇體平面形態(tài)隨時(shí)間演化為圓度不斷變高的類(lèi)圓形，扇體的覆蓋面積增加速率先增加后減少，且圓心在X軸上往前移動(dòng)。

　　(4)后破壞II階段(表層顆粒流動(dòng))，該階段是高柱體破壞特有的。后破壞I階段中表層顆粒流動(dòng)至最遠(yuǎn)處堆積并停止時(shí)，箱體內(nèi)顆粒體尚未穩(wěn)定。在空間上，箱體臨空側(cè)外部堆積體呈脊形堆積，遂該階段欠穩(wěn)定顆粒從側(cè)邊界受限的箱體內(nèi)向無(wú)側(cè)限的箱體外發(fā)生“直流-分流”流動(dòng)，此時(shí)的最大流動(dòng)速度仍達(dá)到0.9m/s。顆粒體在箱體外堆積并形成扇形堆積體。還統(tǒng)計(jì)了A11試驗(yàn)組中平面上堆積體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的變化，可以看出，堆積扇的半徑和其圓心運(yùn)動(dòng)距離隨時(shí)間的推移不斷增加，而其覆蓋面積的增長(zhǎng)率呈一個(gè)先增加后減少的趨勢(shì)。

　　仔細(xì)查閱顆粒崩塌速度矢量場(chǎng)可發(fā)現(xiàn)，不管顆粒粒徑和不同形狀系數(shù)a值，所有試驗(yàn)中都存在破壞面;破壞面之上的顆粒發(fā)生運(yùn)動(dòng)，破壞面之下的顆粒均保持靜止。系統(tǒng)測(cè)量所有試驗(yàn)的破壞面，破壞面的傾角在50°～55°之間，高a值的破壞面小。根據(jù)庫(kù)倫失穩(wěn)準(zhǔn)則預(yù)測(cè)失穩(wěn)破壞角θy=45°+φ/2，φ值為顆粒內(nèi)摩擦角。內(nèi)摩擦角與休止角接近，因此預(yù)測(cè)破壞角θy=45°+30°/2=60°。這一預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)觀測(cè)的50°～55°基本一致。

　　3顆粒柱體堆積形態(tài)函數(shù)表達(dá)

　　從高速相機(jī)中，可以獲得A1—A17試驗(yàn)的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程持續(xù)時(shí)間或停止時(shí)間t∞。這一運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間顯然與寬度di、初始高度Hi有關(guān)。

　　4物理試驗(yàn)的啟示及討論

　　本次顆粒柱體崩塌試驗(yàn)的邊界條件與一些實(shí)際柱狀危巖體的崩塌相近，試驗(yàn)具有重力相似性，因此試驗(yàn)得到的現(xiàn)象與數(shù)據(jù)可以為柱狀危巖體崩塌過(guò)程提供借鑒與啟示。從失穩(wěn)形式上來(lái)看，顆粒柱體與柱狀危巖體的失穩(wěn)形式有類(lèi)似之處。HUNGR等[23]和HUANG等[19]采用自重應(yīng)力和抗壓強(qiáng)度之比Ns做判據(jù)，判斷柱狀危巖體壓潰式失穩(wěn)模式的可能性。從重慶甑子巖壓潰式破壞過(guò)程來(lái)看[3]，壓潰式運(yùn)動(dòng)過(guò)程與a≥1.5時(shí)顆粒柱體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程非常類(lèi)似。它們的運(yùn)動(dòng)基本以下沉、剪切和滑出為主，后期碎屑在地面流(滑)動(dòng)。

　　這兩者的動(dòng)力機(jī)制也類(lèi)似。根據(jù)HUNGR等[23]和HUANG等[19]的研究，壓潰式破壞是在自重作用下柱體底部巖體中產(chǎn)生側(cè)向張力破壞，底部巖體壓碎-擠出后，上部巖體在重力作用下下墜然后呈復(fù)雜狀態(tài)破壞運(yùn)動(dòng)。顆粒柱體的破壞力學(xué)機(jī)制可以由糧倉(cāng)顆粒理論解釋[23]，柱體的重力依靠顆粒接觸傳遞至底部，底部顆粒依靠摩擦力和水平側(cè)向擠壓力支撐。柱體門(mén)抽出后，臨空側(cè)水平側(cè)擠壓力迅速消散，底部顆粒被擠出，柱體頂部在自重力下墜落，然后也呈復(fù)雜的崩塌形式破壞。

　　當(dāng)然，邊界條件的差異顯然會(huì)對(duì)崩塌體的相關(guān)運(yùn)動(dòng)特征產(chǎn)生影響，本試驗(yàn)所采用的三維邊界條件較前人的所研究的二維邊界條件更好地將實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c工程實(shí)際建立了有機(jī)聯(lián)系。在邊界條件差異的影響下，本文三維崩塌試驗(yàn)中顆粒的最遠(yuǎn)堆積距離較前人所做二維試驗(yàn)的結(jié)果更近。在針對(duì)碎裂化柱狀危巖體的崩塌堆積特征時(shí)，文中所得到的公式更具參考價(jià)值。因此，柱狀危巖體壓潰式破壞后運(yùn)動(dòng)距離可在考慮斜坡加減速度的條件下近似采用顆粒柱體崩塌試驗(yàn)相關(guān)公式進(jìn)行估算。其次，從堆積特征上來(lái)講，前人所開(kāi)展的二維崩塌試驗(yàn)中僅僅得到的是最終堆積體的剖面形態(tài)。而本次三維崩塌試驗(yàn)中既得到了堆積體的剖面形態(tài)，還得到平面上的堆積形態(tài)，相比前人所做的試驗(yàn)研究，更好地體現(xiàn)了崩塌體的堆積特征。

　　從力學(xué)機(jī)制來(lái)看，前人的二維試驗(yàn)和本次三維試驗(yàn)中顆粒體的失穩(wěn)特征具有一致性，二者都從基座發(fā)生失穩(wěn)破壞。于是，防治柱狀危巖體則可重點(diǎn)從底部巖體和壓力傳導(dǎo)入手。從影響最終覆蓋范圍的因素來(lái)看，形狀系數(shù)變小和顆粒粒徑增大會(huì)造成堆積距離的減少，因此要想減少柱狀危巖體的運(yùn)動(dòng)距離，減小形狀系數(shù)和減少破碎程度是可以做的有效減災(zāi)措施。

　　5結(jié)論

　　在柱狀危巖體野外原型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開(kāi)展了17組顆粒柱體崩塌物理試驗(yàn)，得到了以下結(jié)論:(1)顆粒柱體的形狀系數(shù)a決定了柱體的失穩(wěn)模式與運(yùn)動(dòng)過(guò)程。a<1.5的矮柱體破壞以剪切-滑移為主;而a≥1.5的高柱體先發(fā)生下沉-剪切-滑移破壞過(guò)程，然后會(huì)崩塌流動(dòng)堆積。柱體外堆積形態(tài)為類(lèi)扇形體，扇形體的覆蓋面積增加速率先增加后減少，且圓心在X軸上往前移動(dòng)。(2)試驗(yàn)?zāi)Ｐ突�于單向臨空的邊界條件，首次發(fā)現(xiàn)堆積扇的圓心沿X軸方向向前運(yùn)動(dòng)。可采用形狀系數(shù)a的多個(gè)冪指數(shù)函數(shù)來(lái)定量刻畫(huà)顆粒的運(yùn)動(dòng)時(shí)間、堆積距離、堆積高度和堆積平面形態(tài)，并得到一系列函數(shù)關(guān)系式，這些函數(shù)預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值的相關(guān)性好，誤差率較低。(3)高柱體的崩塌運(yùn)動(dòng)與壓潰式柱狀危巖體破壞運(yùn)動(dòng)相似，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果可為該類(lèi)型危巖體的運(yùn)動(dòng)評(píng)估及防治提供啟示。

　　參考文獻(xiàn):

　　[1]GRIMSTADE，NESDALS.TheLoenrockslides:ahistoricalreview[J].NorwegianGeotechnicalInstitute，1991，182:1-6.

　　[2]姚寶魁，孫玉科.宜昌鹽池河磷礦山崩及其崩塌破壞機(jī)制[C]//殷躍平.中國(guó)典型滑坡.北京:科學(xué)出版社，1988:89-98.

　　[3]賀凱，殷躍平，李濱，等.塔柱狀巖體崩塌運(yùn)動(dòng)特征分析[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2015，24(1):86-95.

　　[4]HS�aKJ.Catastrophicdebrisstreams(Sturzstroms)generatedbyrockfalls[J].BulletinoftheSeismologicalSocietyofAmerica，1975，86(1):129-140.

　　[5]BAGNOLDRA.Experimentsonagravity-freedispersionoflargesolidspheresinanewtonianfluidundershear[J].Proc.roy.soc.london，1954，225(1160):49-63.

　　[6]IVERSONRM.Thephysicsofdebrisflows[J].ReviewsofGeophysics，1997，35(3):245-296