中仿RocFall2 最新更新：将岩石破碎效应纳入设计决策
如何模拟一种从不遵循单一路径的现象？当岩石撞击坡面时，它可能会碎裂成一连串的碎块，每个碎块都沿着自己无法预测的路径滚落——携带着原始能量的一小部分，却使危险程度成倍增加。几十年来，这种被称为破碎（fragmentation）的混乱过程，一直被认为是落石行为最具决定性的特征之一，同时也是最难以在仿真中捕捉的过程之一。
对工程师而言，这种不确定性意味着防护设计困难且安全系数偏高。为应对这一挑战并响应用户需求，中仿Rocscience在RocFall2版本8.027中引入了全新的破碎分析功能。该功能能够模拟岩石在撞击中如何破裂、损失能量并沿坡面散布；工程师可借此以史无前例的真实感，分析破碎如何改变滚落距离、分散范围和冲击能量。
本文将介绍中仿RocFall2破碎分析的原理方法，并通过一个经过验证的案例展示其实际应用。
图1. 岩石落石破碎仿真
图2. 落石破碎（改编自Gili等，2022）
RocFall2 中的破碎分析
RocFall2的破碎分析基于一种经验随机方法（Guccione等，2025），该方法源于对一系列人工球形岩石样品在混凝土表面跌落破碎的受控撞击试验（Guccione等，2021a，2021b，2023）。这些实验提供了关于碎块数量、尺寸分布和速度的详细观测数据，构成了RocFall2破碎行为标定的基础。
材料特征参数来自标准实验室测试，并映射到模型输入中：
劈裂抗拉强度（巴西圆盘试验）→用于描述抗拉行为与破碎倾向；
完整岩体割线弹性模量（由单轴抗压强度UCS推算）→用于估计块体反弹速度与坡体柔度；
Ⅰ型断裂韧度→用于量化产生新裂面所需的能量，从而估计破碎能量损失。
在RocFall2中，这一复杂的经验基础被转化为直观的工作流程：
在Project Settings（项目设置）中，用户可选择Lumped Mass（集中质量）方法并启用 Fragmentation Analysis（破碎分析）。
材料强度参数可通过Slope Material Library（坡体材料库）与Rock Type Library（岩石类型库）指定，用于定义坡体地层和落石块体（Seeder）的特性。
对于缺乏实验数据的用户，RocFall2提供了一个包含常见岩石类型代表性参数的参考参数库，确保分析既易用又具有技术可靠性。
图3. 岩石破碎的项目设置
图4. 坡体材料特征参数设定，可访问测试参数库以引用参考值
图5. Seeder材料特征参数设定，可访问测试参数库以引用参考值
在RocFall2中，包含破碎的落石分析依然以随机方式解释，和传统的非破碎分析一致。然而，引入破碎后，数据输出中新增了两个维度——块体质量（mass）和体积（volume），可更深入地理解坡体响应。
每次发生破碎时，块体数量增加、单个碎块尺寸减小，从而改变了滚落动力学及能量沿坡分布。
结合这些新数据与既有输出（如滚落距离、动能、速度和弹跳高度），工程师可更全面地评估坡面防护需求，优化防护栏位置与承载能力，从而提升设计信心。
验证案例研究：Vallirana落石试验
为验证新的破碎分析功能，RocFall2与西班牙Vallirana地点开展的全尺度落石实测进行了对比（Gili等，2022；Matas等，2020；Prades-Valls等，2022）。
在可用数据集中，选择了Gili等（2022）的测试4，因其详尽记录了碎块数量、滚落距离与能量。
在该实验中，24个石灰岩块体（体积0.5–2.25m³）从8.5m高度的设定坡面上落下（见图6）。
图6. 现场破碎跌落试验布置（改编自Matas等，2020）
RocFall2的模型参数直接来源于已发表的单轴抗压强度（UCS）和巴西劈裂抗拉强度（BT）实验数据（Gili等，2022），并通过调整坡体的完整岩体割线弹性模量来匹配观测到的碎块数量。
进行了两组随机分析（每组100个模拟块体）：
一组为无破碎基线模型；
一组为启用破碎分析模型。
首先通过非破碎分析校准恢复系数（coefficient of restitution），确保滚落距离合理，再引入破碎效应。
破碎行为与模型响应
当启用破碎功能后，结果与现场观测高度一致。块体撞击坡面后碎裂成多个碎块，质量与速度下降，但沿坡分散性增强。
图7显示了模拟的落石路径，其中颜色饱和度代表块体相对于原始岩块的剩余质量。
颜色饱和度降低表示因破碎导致的块体质量减少；饱和度百分比为相对于原始Seeder岩块质量的百分比，便于直观观察沿坡的岩块尺寸变化。
图7. 沿实测坡面的模拟落石路径。路径颜色饱和度按碎块质量与原始岩块质量的比例计算
在100次随机模拟中，初始100个块体演化为3543个碎块，与Vallirana实验中的破碎强度一致。
图8展示了模拟结束时（坡脚处）的碎块数量、终点分布及破碎集中区（橙色标记），直观显示了破碎事件在坡面上的分布情况。
图8. 岩块路径终点图，显示碎块终止位置、破碎发生位置（橙色标记）及模拟结束时碎块总数
对比分析：有无破碎
为评估破碎对防护设计的影响，将RocFall2的无破碎与破碎模拟结果进行了直接对比（图9）。
图9. 使用经校准的案例模型进行的无破碎与破碎落石分析
主要结论如下：
滚落距离：破碎导致滚落距离分布更宽，反映了真实的能量损失与散射行为；
动能：第90百分位的总动能由无破碎时的>400kJ降至有破碎时的<100kJ，显示冲击强度显著降低；
块体质量分布：破碎后坡脚处块体质量更小，表明破裂虽减少单块能量，却增加了冲击次数。
结论
破碎分析的引入，标志着RocFall2在模拟真实坡面行为方面迈出了重要一步。
通过定量描述岩石的破裂、能量损失与坡面分散过程，该功能为落石动力学与防护系统设计提供了更完整的视角。
将破碎分析纳入标准工作流程，使工程师能以更高精度进行设计——让模型假设更贴近现场实际，减少过度设计，提高整体坡体安全性。
借助RocFall2 v8.027，Rocscience再次将复杂的科研成果转化为易用的工程工具，帮助工程师以更高信心完成设计。
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