卸荷裂隙對巖體邊坡地震動影響的數值模擬研究

摘 要：本文采用數值模擬的方法，利用UDEC軟件，開展了卸荷裂隙對巖體邊坡地震動影響的數值模擬研究，研究內容涉及卸荷裂隙密度及卸荷裂隙帶深度的影響。根據該數值模擬出的結果可以看出，鞋盒裂隙的密度呈現的越大，其地震動就在該卸荷區域內的動力響應就會更加的強烈，而在坡肩上的加速度放大系數也就很大；卸荷帶水平深度越大，卸荷巖體的動力響應的加速度放大系數就越小。上述規律對于巖質卸荷裂隙發育邊坡地震穩定性分析具有指導意義。

關鍵詞：卸荷裂隙 巖質邊坡 數值模擬

中圖分類號：TU45 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（b）-0069-02

巖質邊坡在人工開挖和風化侵蝕下其側向應力減弱，發生卸荷回彈，導致卸荷裂隙在巖質邊坡中普遍發育[1]。這些卸荷裂隙一般是平行與坡面分布，與軟弱面或巖層面相交切割邊坡后往往形成危巖體，這些危巖體在地震力、重力及水壓力的共同作用下有可能形成崩塌、滑坡等地質災害，嚴重威脅人民群眾的生命財產安全。

本文展開了卸荷裂隙對巖體邊坡地震動影響的二維數值模擬研究。鑒于離散元軟件UDEC可以很好地解決離散巖體的非線性動力分析問題，并已經在邊坡工程、地下結構工程和采礦工程等領域上廣泛的應用了[5]，本文的數值模擬采用了UDEC軟件。為便于邊坡內不同位置地震動強度的比較，研究中定義邊坡巖體中一點地震動峰值加速度aP與坡腳處地震動峰值加速度aP0之比為邊坡的地震動加速度放大系數x（x=aP/aP0）。本文研究內容涉及卸荷裂隙間距及卸荷深度對巖體邊坡地震動加速度放大系數空間展布的影響。

1 含卸荷裂隙邊坡動力響應模擬方案

1.1 基本假定

巖質邊坡動力響應所受結構面的影響，以下就是本文的研究，且遵循如下假定。

（1）應力應變關系：平面是應變狀態。（2）巖石材料：各向同性材料是均勻的。（3）結構面本構關系：莫爾-庫倫滑動模型。（4）入射地震波：剪切波從模型底面垂直入射。

1.2 模型工況選擇

巖體中結構面的分布具有不確定性，而且其發育的規模和特征也有很大的不同，考慮現實中所有情況下巖質邊坡動力響應所受結構面的影響存在著很大的困難。為了突出主要矛盾，考慮巖體邊坡中卸荷裂隙發育的一般情況，本文主要采用平行于坡面的結構面來模擬卸荷裂隙。主要工況為如下。

坡面向內一定范圍內，在垂直于這個坡面，我們可以布置幾條平行于坡面的結構面，上部切穿坡頂面，下部截止于一條水平貫穿性結構面。我們設定，結構面剛度值為較低值，結構面抗拉強度為零。，在這種情況下，工況主要模擬巖質邊坡動力響應所受卸荷帶的影響。模擬中主要考慮卸荷裂隙發育密度和卸荷帶深度的變化。

工況示意圖如圖1所示。圖中：D為邊坡水平長度；H為邊坡高度；h為結構面與坡面交點位置高度；b為坡角；γ為結構面傾度；d為卸荷裂隙間距，l為卸荷裂隙帶的高度；s為卸荷帶深度，f為入射地震波頻率。

模擬中主要關注結構面附近加速度放大系數等值線的分布與坡肩放大系數的量值。

1.3 模型邊界條件與參數選取

為了消除截斷邊界對于應力波的反射效應，模型底面邊界采用粘滯邊界，模型兩側采用自由場邊界[2]。為便于邊坡內不同位置地震動強度的比較，引入本文開始定義的無量綱參數，邊坡地震動加速度放大系數ξ。為了全面了解邊坡各個部位的動力響應，利用程序自帶的FISH語言編制了自動布置監測點的函數，記錄計算過程中監測點上地震動加速度的變化過程，并自動計算每個監測點上地震動加速度的最大值。計算持續時間應該保證入射地震波傳播到坡頂并發生反射疊加作用，待波場穩定后再進行加速度最大值的提取。各種工況模型參數按表1選取。

1.4 地震荷載

地面地震動過程一般以水平方向振動為主，頻率成分復雜，地震動加速度主頻一般在2～10 Hz[3]。為了進行一般規律性研究，本次數值模擬地震動力荷載輸入采用水平向簡諧振動剪切波，從模型底部邊界垂直入射。首先確定輸入地震動加速度時程，然后對其進行積分轉化成速度時程，再將其轉化成應力時程從邊界輸入。選擇加速度振幅為1 m/s2、頻率為5 Hz的簡諧水平地震動作為輸入地震荷載，進行邊坡地震動響應的數值模擬研究。

同一測點上地震動的位移、速度或加速度均隨輸入地震荷載的強度的增加而增加，三者的強弱變化一致，在邊坡中的強弱分布形式相同。所以，在邊坡地震響應數值模擬中可選用地震動加速度放大系數來表示邊坡地震動響應強度的分布[6]。

2 卸荷裂隙對巖質邊坡動力響應的影響

2.1 卸荷裂隙間距d

為了研究卸荷裂隙密度對邊坡動力響應的影響，在高度為60 m、坡角為60°的巖質邊坡肩部設置深度s=20 m、高度為l的卸荷帶。在卸荷深度范圍內分別按照裂隙間隔d分別為5 m，10 m，20 m設置與坡面平行的卸荷裂隙，卸荷裂隙上端與坡頂面相交，下端截止于一條長度與卸荷深度相同的水平結構面，此水平結構面至坡頂的距離即為卸荷裂隙帶高度l，l設為10 m，20 m，30 m三種情況，從而構成在邊坡肩部一定范圍內卸荷節理的長度和密度變化的邊坡模型。考慮到卸荷裂隙強度較低的特點，取較低的卸荷裂隙剛度值（0.01 GPa/m），我們設抗拉強度為0，與之相交的水平結構面剛度值定成（0.1 GPa/m）。

加速度放大系數等值線分布受卸荷裂隙的控制，加速度放大系數等值線分布密集；加速度放大系數等值線分布也受卸荷裂隙密度影響[4]。增大裂隙間距d，下部高上部低的現象就會在加速度放大系數出現，那么，沿著坡肩沿坡面，加速度放大系數的最大值位置也向下移動，高值圈閉在卸荷塊體的下部形成。加速度放大系數與間距坡肩和加速度放大系數呈現良好的負相關性，間距越大，坡肩加速度放大系數和卸荷區內加速度放大系數越小，而且極值隨裂隙間距降低的速率隨間距的增加而變小。所以，裂隙越密集就決定了邊坡在卸荷區的動力響應就越強烈，隨之，穩定性就越差，這就印證了較完整塊狀結構邊坡的穩定性必須比碎裂結構邊坡好的這一事實。由卸荷節理越密集上部地震動加速度放大系數越大的情況可以推論，肩部發育有密集的卸荷節理帶的巖體邊坡更加容易發生地震崩塌災害。

2.2 卸荷深度s的影響

在高度為60 m、坡角為30°的邊坡肩部設置高度為l、深度為s的卸荷節理。卸荷節理高度固定為l=10 m，卸荷節理深度s設三個值，分別為10 m，20 m，30 m，模擬研究邊坡地震響應的受卸荷深度影響。

s對加速度放大系數等值線的分布也受卸荷深度的影響。加速度等值線的分布隨著卸荷深度的加深而逐漸呈現與卸荷密度變化時相同的變化規律，即高值圈閉回形成，當卸荷塊體下部靠近坡面的部位時。當低值圈閉在卸荷塊體上部出現時，整個塊體的加速度放大系數就呈現下高上低。隨著卸荷深度的增加，卸荷塊體內極值加速度放大系數和坡肩加速放大系數而逐漸減小，二者呈現良好的相關性。因此，卸荷深度越大，所形成的卸荷體的體積就越大，相應的響應加速度放大系數越小，卸荷體內地震動加速度放大系數上小下大的分布現象越明顯，從而坡肩發生崩塌的可能性就越小。

3 結論及展望

通過數值模擬實驗，得出以下結論。

（1）卸荷節理密度。

邊坡肩部的地震動加速度放大系數隨間距的增大而逐漸變小，卸荷塊體內加速度放大系數下部高上部低的現象愈加顯著。

（2）卸荷帶水平深度。

卸荷帶水平深度越大，所形成的危巖體體積那么也就越大，卸荷巖體的動力響應的加速度放大系數就越小，并且卸荷塊體也會逐漸顯現上小下大的加速度分布，邊坡發生崩塌的可能性會逐漸降低。

卸荷裂隙的發育隨著巖石類型、地應力作用及所處地質環境的不同呈現出不同的特性，本文僅是對平行坡面且等間距的卸荷裂隙進行了研究，不能包括所有的工況，今后還應該考慮更多影響因素的情況下開展更多的模擬研究，進一步掌握卸荷裂隙對邊坡地震動響應的影響規律。

參考文獻

[1]孫樹林，侯玉賓.邊坡水平卸荷裂隙的突變理論模型[J].河海大學學報，1997，25（26）：4-7.

[2]祁生文.邊坡動力響應分析及應用研究[D].北京：中國科學院地質與地球物理研究所，2002.

[3]袁從華，吳振君.平緩反傾紅砂巖高陡切坡的穩定性分析[J].巖土力學，2012，33（3）：79-80.

[4]李曉靜，朱維申，李術才，等.考慮開挖卸荷劈裂效應的脆性裂隙圍巖位移預測新方法[J].巖石力學與工程學報，2011，30（7）：124-125.