地震作用下層狀巖質(zhì)邊坡變形破壞規(guī)律研究

□ 姚亮亮 王巖 牛林峰

（1.河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，河南 鄭州 450016；2.中國海外工程有限責(zé)任公司，北京 010000）

0.引言

地震是引起邊坡變形破壞的重要因素，經(jīng)常造成滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，引起大面積邊坡變形破壞、加速山地環(huán)境向惡性循環(huán)發(fā)展[1-2]。地震誘發(fā)的與邊坡有關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害不僅分布范圍廣，數(shù)量多而且危害程度大，往往給生產(chǎn)建設(shè)和生命財產(chǎn)帶來巨大傷害[3-5]。1920年，寧夏海源8.5級地震造成大量大型滑坡，十余萬民眾死于地震誘發(fā)滑坡，其狀慘不忍睹[6]；1994年，美國加利福尼亞州Northridge發(fā)生6.5級地震，誘發(fā)大范圍的滑坡，滑坡數(shù)量高達(dá)一萬多處，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[7]；2008年，四川汶川8.0級地震，震動全國，地震所觸發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)萬處，對經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生命財產(chǎn)造成重大損害[8]。因此，加強對地震作用下邊坡變形破壞規(guī)律的研究具有重要的現(xiàn)實意義，能有效指導(dǎo)相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害的防治和工程實踐。

離散元法利用顯式時間差分解法求解動力平衡方程，使其在求解非線性大位移與動力穩(wěn)定性問題時具有得天獨厚的優(yōu)勢，因此離散元法最適合分析研究地震作用下巖質(zhì)邊坡的動力響應(yīng)問題[9-10]。周劍等[11]利用離散元軟件UDEC分析了地震作用下水平層狀巖質(zhì)邊坡的結(jié)構(gòu)面效應(yīng)；冷先倫等[12]通過離散元軟件UDEC模擬分析了邊坡的開挖變形破壞。

本文通過離散元軟件UDEC分析研究了地震作用下層狀巖質(zhì)邊坡的變形破壞規(guī)律，并結(jié)合振動臺模型試驗結(jié)果對地震作用下層狀巖質(zhì)邊坡的變形破壞規(guī)律做了進(jìn)一步地探討。

1.數(shù)值模型建立

層狀巖質(zhì)邊坡在地震作用下的動力響應(yīng)數(shù)值分析以物理模型邊坡的概化原型為研究對象，建立二維簡化的數(shù)值計算模型（如圖1所示）。模型高36m，底部邊長36m，邊坡坡角60°，巖層傾角75°，巖層厚度1.2m。在數(shù)值模擬計算中，邊坡塊體本構(gòu)關(guān)系采用摩爾庫倫準(zhǔn)則，結(jié)構(gòu)面選用庫倫滑移結(jié)構(gòu)。數(shù)值模型左側(cè)邊界固定X軸方向位移，底面固定X軸，Y軸方向位移，頂面及右側(cè)坡面作為自由面處理。模型共劃分為26143個三角形單元，單元最大邊長為0.5m，劃分單元后的模型（如圖2所示）。在數(shù)值計算過程中，首先進(jìn)行模型自重分析，將重力作用下得到的應(yīng)力作為初始應(yīng)力條件，然后施加動力荷載。數(shù)值計算所施加的動力荷載為頻率為15Hz，持時為20s，振幅為0.20g的正弦波。巖體物理力學(xué)（如表1所示）。

圖1 數(shù)值模型

圖2 模型單元劃分

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

2.邊坡變形破壞分析

本文研究分析中輸入的地震波為正弦波，正弦波的頻率為20Hz，振幅為0.20g，振動持續(xù)時間為20s。圖3為正弦波作用下數(shù)值模型的位移響應(yīng)云圖，從圖中可以看出，數(shù)值模型的位移集中在邊坡中上部，坡肩及坡面淺表部的位移最大，從上到下位移逐漸減小，模型底部的位移幾乎為零，同一高程處坡面位移大于坡內(nèi)位移。圖4為數(shù)值模型邊坡的速度響應(yīng)云圖，從圖中可以看出，在震動的過程中，邊坡的頂部及淺表部的速度較大，底部速度較小，同一高程處坡面的速度大于坡內(nèi)速度，模型邊坡速度響應(yīng)云圖的變化規(guī)律與其位移響應(yīng)云圖的變化規(guī)律相照應(yīng)。

圖3 位移響應(yīng)云圖

圖4 速度響應(yīng)云圖

為了進(jìn)一步分析地震作用下層狀巖質(zhì)邊坡的變形破壞規(guī)律，構(gòu)建了數(shù)值模型邊坡對應(yīng)的物理模型邊坡，進(jìn)行了振動臺模型試驗。通過觀察宏觀試驗現(xiàn)象，得出：模型邊坡的變形破壞首先出現(xiàn)在模型邊坡的頂部及淺表部（如圖5所示），表現(xiàn)為頂部及淺表部的巖塊松動，隨著振動的持續(xù)與加強，松動范圍向下擴(kuò)展，淺表部尤為明顯。變形破壞的加劇導(dǎo)致模型邊坡頂部及淺表部巖塊的脫落（如圖6所示）。

圖5 邊坡頂部及淺表部松動

圖6 邊坡頂部及淺表部掉塊

振動臺模型試驗結(jié)果與離散元數(shù)值分析結(jié)果較好地吻合，地震作用下層狀巖質(zhì)邊坡的變形破壞首先出現(xiàn)在邊坡的頂部及淺表部，邊坡頂部及淺表部的位移最大，邊坡的頂部及淺表部率先出現(xiàn)劇烈的變形破壞，而邊坡底部的變形破壞最小，幾乎沒有位移。

4.結(jié)束語

本文通過離散元軟件UDEC和振動臺模型試驗分析研究了地震作用下層狀巖質(zhì)邊坡的變形破壞規(guī)律，振動臺模型試驗結(jié)果與離散元數(shù)值分析結(jié)果較好地吻合，得出以下結(jié)論：

4.1 地震作用下邊坡的響應(yīng)位移集中在邊坡的中上部，坡肩及坡表部位的位移最大；從上到下邊坡的位移逐漸減小，坡底的位移最小，幾乎為零；同一高程處坡面位移大于坡內(nèi)位移。

4.2 地震作用下邊坡的響應(yīng)速度也集中在邊坡的中上部，坡肩及坡表部位的速度最大；從上到下邊坡的速度逐漸減小，坡底的速度最小，幾乎為零；同一高程處坡面速度大于坡內(nèi)位移。

4.3 地震作用下層狀巖質(zhì)邊坡的變形破壞首先出現(xiàn)在邊坡的頂部及淺表部，邊坡頂部及淺表部的位移最大，邊坡的頂部及淺表部率先出現(xiàn)劇烈的變形破壞，而邊坡底部的變形破壞最小，幾乎沒有位移。邊坡的頂部及淺表部是最易破壞區(qū)域。