雙面高陡邊坡的地震滑坡響應分析

第48卷第3期2013年6月西南交通大學學報JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITYVol.48No.3Jun. 2013

基金項目： 國家自然科學基金資助項目（41030742）；中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助項目（SWJTU12CX041）；國防基礎科研計劃資助項目（A0220110003）

作者簡介： 楊長衛（1987-），男，博士研究生，研究方向為巖土動力學，電話： 15928118504， Email： 1209732335@qq.com

文章編號： 0258-2724（2013）03-0415-08DOI： 10.3969/j.issn.0258-2724.2013.03.004

摘要： 為了研究雙面高陡邊坡破壞機理，以國道G213左側雙面高陡邊坡為原型，采用新型離散元計算方法CDEM和振動臺試驗，模擬了高烈度地震作用下，雙面高陡邊坡上的坡積體滑坡由變形累計到破壞滑動的全過程.研究結果表明：在地震力和重力作用下，滑體頂部先出現應力集中，造成滑體沿滑體結構面后緣產生變形，進而造成該處出現拉伸、剪切破壞點；隨著地震動的持續，滑體結構面上的剪切破壞點逐漸向滑體中前部的鎖固段擴展，同時伴隨著滑體表面拉伸破壞點的增加，最終造成鎖固段發生漸進性破壞，滑體從剪出口滑出形成滑坡；在材料參數等外部條件相同的情況下，坡腰處滑體先于坡腳處滑體發生滑塌，滑塌發生的時間與地震動峰值加速度到達的時間同步或稍微有所滯后；以輸入地震波為基準，不論是陡坡地形、緩坡地形還是坡體內，不同位置的峰值加速度沿坡高均有所放大，表現為豎向峰值加速度的放大效應大于水平峰值加速度的放大效應，陡坡地形峰值加速度的放大效應大于緩坡地形峰值加速度的放大效應，也大于坡體內峰值加速度的放大效應.

關鍵詞： CDEM；雙面高陡邊坡；地震；滑坡響應；峰值加速度

中圖分類號： P315.9文獻標志碼： A

2008年5月12日，四川省汶川縣發生了MS 8.0 級特大地震.由于地震震源淺、持續時間長，釋放能量大，瞬間激發了大量的崩塌、滑坡以及泥石流等地質災害，特別是在山岳地區，災害更為嚴重[17].

由于強震觸發的崩塌、滑坡以及泥石流等災害的致災力強，因此引起了專家、學者的廣泛研究[8]，滑坡是研究最多的災害之一.

在研究地震誘發滑坡的滑動機理方面，數值模擬是常用的方法，并已取得了可喜的成果.王來貴等[9]基于概化的滑坡模型進行了強震誘發單一弱面斜坡滑塌的有限元模擬；吳順川等[10]應用PFC模擬了含軟弱夾層類土質邊坡的破壞過程；鄭穎人等[11]采用FLAC動力強度折減法對地震邊坡破壞機制進行了數值分析；曹琰波等[12]應用離散元軟件UDEC對滑坡由變形累積到破壞滑動的全過程進行模擬，研究了地震作用下順層巖質滑坡的變形破壞過程.

以上研究所采用的數值方法主要是有限單元法、有限差分法以及傳統的離散單元法，其中，有限單元法和有限差分法是基于連續介質的力學模型，對于含有眾多不連續面的巖質邊坡大變形動力分析具有一定的局限性.傳統的離散單元法在計算節西南交通大學學報第48卷第3期楊長衛等：雙面高陡邊坡的地震滑坡響應分析理邊坡穩定性方面仍存在一些問題，如初始狀態依賴于結構面的分布、結構面參數依靠經驗取值，更重要的是只能定義結構面的有序性，而不能定義結構面的隨機性和復雜性.

近年來，用于地質災害成災機理分析的新型計算方法CDEM已發展起來，該方法將有限元和離散元進行了耦合，在塊體內部進行有限元計算，在塊體邊界進行離散元計算，這不僅模擬了材料在連續和非連續狀態下的變形、運動特性，更實現了材料由連續體向非連續體漸進的破壞過程.在CDEM中，通過建立混合節點模型實現了離散元的結構面彈簧和顆粒離散元兩者質點運動的獨立計算，解決了離散元初始狀態的計算問題；通過引入結構層的概念，解決了結構面參數的求解問題；通過引入隨機結構面模型實現了結構面的隨機性和復雜性[8].

針對高陡邊坡動力響應的研究主要集中于單面高陡邊坡[112]，而對雙面高陡邊坡地震響應的研究甚少[13].

本文結合5·12汶川地震的現場調查結果[1415]，選取汶川地震災區內最為普遍、失穩數量最多的斜坡坡體結構類型，利用振動臺試驗的相關資料，開展數值模擬，對地震作用下雙面高陡邊坡的滑坡響應進行分析.1振動臺試驗模型和數值模型振動臺試驗以國道G213左側雙面高陡邊坡為原型，采用 1∶600的幾何縮尺比，得到了振動臺試驗模型，見圖1.

該模型高1 810 mm，寬3 500 mm，包含陡坡地形和緩坡地形，其中陡坡地形的坡度為50°～60°，緩坡地形的坡度為42°～50°.

為了研究地震作用下雙面高陡邊坡不同位置坡積體的地震動響應，振動臺試驗依據現場調查結果將坡體表面的土層和風化層概化為3處坡積體，分布于坡頂、坡腰以及坡腳.

為了能夠更加深入研究雙面高陡邊坡的地震滑坡機理，本文依據振動臺試驗模型建立了數值分析模型，并在模型內部以及表面設置了大量監測點，用以監測地震作用下滑床和滑體的位移、速度、加速度、應力以及應變等動力響應的時程變化，測點布置詳見圖2.

圖2中：

B4、B6、B8為振動臺試驗和數值模擬兩者共用的監測點，用于驗證數值模擬結果的正確性；

其余測點均為數值模擬增設的監測點.

2CDEM數值模擬2.1數值本構模型及材料參數確定在離散元計算過程中，滑體和滑床的巖土體在失穩之前主要發生塑性變形，在滑體失穩之前兩者均采用彈塑性本構模型和摩爾庫倫（MC）破壞準則；在滑體發生失穩后，滑體的位移要遠遠大于滑體內部土顆粒的相對變形，對于滑體內部的土顆粒采用剛性本構模型；對于滑床，由于自身的幾何尺寸較大，在地震作用下又產生了較大的塑性變形，滑床巖體采用彈塑性本構模型和MC破壞準則；在地震過程中滑體結構面將發生滑移、斷裂等破壞現象，采用脆性斷裂本構模型和MC破壞準則.通過采用CDEM中的隨機結構面模型來實現滑體內結構面的有序性、復雜性和隨機性.在塊體與塊體之間，通過建立節點混合單元實現結構面彈簧和顆粒離散元兩者質點運動的獨立計算，解決了離散元初始狀態的計算問題.不同位置結構面的相關參數均可通過CDEM提供的經驗計算公式進行求解[13].

本次振動臺試驗所采用的相似材料主要由石英砂、重晶石粉、石膏或粉煤灰、水以不同比例進行配制，且試驗材料的容重相似比為 1∶1，應力相似比為 1∶6.35，內摩擦角、泊松比的相似比均為 1∶1，各項材料的物理力學參數見表1.

2.2數值模型的邊界條件及地震動輸入在對斜坡體進行動力數值模擬時，合理施加人工邊界和確定合理的輸入地震波是兩項至關重要的工作.為了消除地震波在邊界處的反射，在模型底部和兩側分別施加了吸收邊界和自由場邊界，本次計算結果需要和振動臺試驗結果進行對比，選取與振動臺試驗相同的輸入地震波，即汶川臥龍臺站實測地震波的壓縮波，時間壓縮比為 1∶4，水平、豎向峰值地震加速度分別為957和857 cm/s2，持續時間為40 s，水平、豎向加速度時程曲線見圖3.2.3數值模擬結果及分析2.3.1數值計算結果的振動臺試驗驗證

為了驗證數值計算結果的正確性，本文選取坡頂B6點，緩坡坡腰B4點，陡坡坡腰B8點3個監測點作為對比點，將數值計算結果與振動臺試驗結果進行對比，具體結果見表2.同時，本文列舉了B6測點水平、豎向加速度的時程曲線來進一步說明本文計算結果的正確性，見圖4.

綜合分析表2和圖4可知， B4、B6、B8點水

平加速度和豎向加速度的最大誤差均小于10.00%，其中水平加速度的最小誤差可達到1.75%，豎向加速度的最小誤差可達到2.28%.數值模擬結果和振動臺試驗結果基本一致，說明本文數值模型是正確的，計算結果是可信的.

2.3.2坡面、坡體加速度的高程放大效應分析

為了研究地震作用下加速度沿坡面、坡體高程的傳播規律，本文在緩坡地形上設置B1～B6測點，在陡坡地形上設置B6～B10測點，在坡體內設置D1～D5測點，其中， B6點為陡坡地形和緩坡地形共用的監測點.從計算結果可知，無論是水平還是豎向峰值加速度沿坡面、坡體高程均具有放大效應，陡坡地形、緩坡地形以及坡體內的水平、豎向峰值加速度峰值及放大系數分別見表3和表4.

綜合分析表3和表4可知，以輸入波為基準，陡坡地形上的水平、豎向加速度沿坡高均具有放大性，水平加速度的放大系數在2.50～3.00之間，豎向加速度的放大系數在3.00～4.00之間，緩坡地形上的水平、豎向加速度沿坡高也具有放大性，水平加速度的放大系數在2～3之間，豎向加速度的放大系數在1.90～4.00之間，坡體內的水平加速度、豎向加速度沿坡高同樣具有放大性，水平加速度放大系數在1.70～3.00之間，豎向加速度放大系數在1.80～3.80之間.因此，不論是陡坡地形、緩坡地形還是坡體內，不同位置的峰值加速度沿坡高均具有不同程度的放大，表現為豎向峰值加速度的放大效應大于水平峰值加速度的放大效應；陡坡地形峰值加速度的放大效應大于緩坡地形峰值加速度的放大效應，也大于坡體內峰值加速度的放大效應.

2.3.3滑體與滑床間加速度差異性分析

為了研究地震波在滑體和滑床內傳播的差異性，本文在坡頂、坡腰、坡腳處分別設置（B6、C2）、（B3、C1）以及（B11、C3）3組測點，用于監測地震動在結構面兩側的傳播特性.由于在地震波施加3.93 s之后坡腰和坡腳處的滑體均發生滑塌，監測點失效，所以對于坡腰處和坡腳處的加速度時程曲線，本文只選取前3.50 s進行分析.鑒于篇幅限制，文中選出具有代表性的坡腰處水平加速度的計算結果進行分析.

綜合分析圖5、6可知，在滑體結構面兩側的水平加速度存在較大差別.首先，在地震動加速度較小時，滑體內的水平加速度大于滑床內的水平加速度；隨著地震動加速度的增加，滑床內的水平加速度逐漸超過了滑體內的水平加速度；其次，水平峰值加速度在滑體結構面兩側到達的時間存在一定差異，在滑體內稍微滯后.出現上述現象的原因是由于在地震初期，地震動加速度較小，地震縱波優先到達滑體結構面，結構面上的測點主要產生張拉破壞，只有少數不連續的剪切破壞點出現，滑體結構面兩側的土體未發生相對滑動，當地震波到達滑體結構面時，滑體內產生了峰值加速度放大效應.

基于地震波在半無限空間的傳播理論，作者認為，此時滑體內出現峰值加速度放大效應可能是由于以下原因：第一，地震波由基巖（滑床）傳至上覆土層（滑體）時，反射波發生了波場分裂現象，如P波反射生成了P波和SV波，SV波反射生成了SV波和P波，各種波形的反射波相互疊加形成了復雜的地震波場，從而造成上覆土層運動的放大；第二，地震波的能量主要由P波、SH波以及SV波提供，這3種波由基巖向上覆軟土層傳播時均具有使上覆土層運動放大的特性.隨著地震動強度的增大，加速度的放大效應愈加顯著，結構面兩側的加速度差也隨之增大，而加速度差的增大將會造成滑體結構面上剪切破壞點的增多，并且逐漸連通，形成剪切破壞面.由于結構面兩側的土體出現了相對滑動，上述理論失效，同時造成了地震波能量在此耗散，隨著滑動量增加，能量耗散越大，導致加速度在滑體內的迅速衰減，致使滑床內的加速度大于滑體內的加速度.

2.3.4滑動帶變形累計效應分析

一般情況下，巖質邊坡從變形到破壞是一個極其復雜的動力學過程，也是一個從量變到質變的過程.滑帶土的應變積累過程是一個小變形問題，而其后發生的崩塌、滑坡則是一個大變形問題.CDEM在進行數值求解時，能夠根據單元的變形和運動情況來實時的更新計算模式（小變形、大變形）.計算得到地震過程中不同時刻模型內各個結構面的剪應變和拉應變的分布情況，見圖7.由于在地震波施加3.93 s之后坡體已經發生滑塌，因此本文只選取3.93 s之前坡體的動力響應進行分析.

綜合分析圖7可知，在輸入地震力t=1.00 s時，坡腳、坡腰處滑體的頂部出現了少量拉伸、剪切破壞點；在t=1.50 s時，坡腳處和坡腰處滑體結構面上的剪切破壞點增多，滑體表面的拉伸破壞點基本不變，同時在坡腰處的剪切破壞點不連續，且數量較坡腳處多，可能是由于此時地震橫波已經到達滑體結構面，進而造成滑體結構面處剪切破壞點數量的增多；在t=2.00 s時，坡腳處滑體結構面上的剪切破壞點向下呈不連續擴展，且在滑體表面的拉伸破壞點也增多.坡腰處滑體結構面上的剪切破壞點迅速增加，且在滑體表面的拉伸破壞點也同樣增多，可能是由于隨著地震動加速度的增大，地震橫波所攜帶的地震能量隨之增大，進而造成了滑體結構面處剪切破壞點數量的增多；在t=2.50 s時，坡腳處滑體結構面上的剪切破壞點繼續向下擴展，由不連續變為連續，并在滑體下部的剪出口位置出現了少量剪切破壞點，而坡腰處滑體結構面上的剪切破壞點形成連續剪切破壞滑裂面，幾乎貫通坡腰處的整個滑體結構面，可能是由于地震動加速度沿坡面具有一定的放大性，進而造成坡腰處結構面優先于坡腳處結構面發生破壞；在t=3.25 s時，輸入地震波的加速度達到峰值，坡腳處滑體的剪切破壞點迅速擴展，形成貫通坡腳處整個滑體結構面的連續剪切破裂面，而坡腰處的滑體則出現部分滑塌，坡頂處滑體出現少量剪切、拉伸破壞點；在t=3.93 s，坡腳和坡腰處滑體出現大面積滑塌，而坡頂處滑體仍未形成貫通該滑體結構面的剪切破壞帶.

上述破壞現象不僅與振動臺的試驗現象一致，而且與 5·12汶川地震中絕大多數滑坡發生時間的調查結果一致.出現上述現象是由于以下原因：

（1） 在重力和地震力作用初期，滑體頂部出現了應力集中，造成滑體沿滑體結構面后緣產生變形，進而引起該處出現拉伸、剪切破壞；

（2） 隨著地震動加速度的增加，滑體與滑床間的加速度差逐漸增大，滑體的下滑力也隨之增加；

（3） 隨著滑體變形的逐漸增大，將會造成滑體表面土體的開裂，進而造成滑體表面拉伸破壞點的增多；

（4） 地震動峰值加速度沿坡面具有一定的放大性，從而誘發了坡腰處滑體先于坡腳處滑體出現滑塌，而坡頂處滑體結構面參數較大，能夠較好的抵御地震動荷載，所以沒有發生破壞.

綜上所述，雙面高陡邊坡發生滑坡是一個均衡的、漸進的過程.在重力和地震力作用下，首先在滑體頂部出現應力集中，造成滑體沿滑體結構面后緣產生變形，進而引起該處出現拉伸、剪切破壞點，之后隨著地震力的持續，滑體結構面上的剪切破壞點逐漸向滑體前緣的鎖固段發展，同時伴隨著滑體表面拉伸破壞點的增多，最終造成鎖固段發生漸進性破壞，破裂面貫通形成滑動帶，滑體從剪出口滑出形成滑坡.3結論本文結合5·12汶川地震震害調查結果[15]，以國道G213左側雙面高陡邊坡為原型，利用離散元計算方法——CDEM對雙面高陡邊坡的地震滑坡響應進行研究，得到以下結論：

（1） 雙面高陡邊坡發生滑坡是一個均衡的、漸進的過程.在重力和地震力作用下，首先在滑體頂部出現應力集中，造成滑體沿滑體結構面后緣產生變形，進而引起該處出現拉伸、剪切破壞，之后隨著地震力的持續，滑體結構面上的剪切破壞點逐漸向滑體前部的鎖固段發展，同時伴隨著滑體表面拉伸破壞點的發展，最終造成鎖固段發生漸進性破壞，破裂面貫通形成滑動帶，滑體從剪出口滑出形成滑坡.

（2） 在輸入地震波、材料和節理參數等外部條件相同的情況下，坡腰處滑體先于坡腳處滑體發生滑塌.

（3） 邊坡滑塌發生的時間與地震動峰值加速度到達的時間同步或稍微有所滯后.

（4） 峰值加速度在滑體結構面兩側到達的時間存在一定差異，在滑體內稍微有所滯后.

（5） 以輸入地震波為基準，不論是陡坡地形還是緩坡地形，坡體內不同位置的峰值加速度沿坡高均有所放大，表現為豎向峰值加速度的放大效應大于水平加速度的放大效應，陡坡地形峰值加速度的放大效應大于緩坡地形峰值加速度的放大效應，也大于坡體內峰值加速度的放大效應.

致謝： 2012年西南交通大學優秀博士學位論文培育項目資助.

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