地震力作用下的反倾岩质边坡失稳机制 精灵论文.doc

地震力作用下的反倾岩质边坡失稳机制陈冉升1，刘高1，卡毛措1，吴玮江2（1. 兰州大学土木工程与力学学院，兰州，730000；52. 甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所，兰州，730000）摘要：为了探讨地震作用下边坡动力失稳机制，针对反倾巨厚层状岩质边坡，以汶川地震诱 发的寨子崖滑坡为例，采用数值计算方法，分析地震作用下反倾岩质边坡的动力响应特征。底部锯齿状滑面的形成及顶部部分岩土体被抛出表明岩质边坡在地震作用下的失稳机制包含了边坡在竖向地震作用下拉裂引起的破坏。实际的岩质边坡在地震力作用下的失稳是岩体10受拉和受剪共同作用引起的，特别是在地震往复运动中，边坡岩土体更易发生拉破坏。水平 和竖向加速度共同作用时，竖向地震力对稳定性和位移有更大的影响。 关键词：地震；岩质滑坡；竖向地震力；动力破坏Instability Mechanism of Anti-dip Rock Slope Under15Seismic LoadChen Ransheng1, Liu Gao1, Ka Maocuo1, Wu Weijiang2(1. School of Civil Engineering and Mechanic,Lanzhou University,Lanzhou,730000;2. Geological Hazards Prevention Institute, Gansu Academy of Sciences,Lanzhou,730000)Abstract: The dynamic response characteristic of heavy layer and Antidip Stratified rock slope under20seismic load is investigated by the numerical analysis，with the Zhaiziya Landslide as an examplewhich induced by the Wenchuan Earthquake, in order to clarify the dynamic instability of the anti-dip rock slope caused by the earthquake. The result shows that, serrated slip surface formed in the lower part and throwing-out of partial rock mass in the upper part of the rock slope indicate that tension failure caused by vertical seismic load dominates the failure mechanism of the rock mass. In fact, the25failure of rock slope under seismic load are caused by the combined action of tensile stress and shear stress, besides, tension failure are more common with in the rock slope, especially in the reciprocatingmotion induced by the seismic load. The vertical acceleration was found to reduce further the stabilityand displacement of the rock masses.Key words: earthquake; rock slope; vertical seismic load; dynamic failure mechanism301 引言地震作用下的边坡稳定是岩土工程中十分关心的问题之一，以“5·12 汶川地震”为例，因其 震级高、释放能量大和持续时间长，导致四川、甘肃、陕西等 51 个县(市)严重受灾1，地震诱发 的滑坡、崩塌等次生灾害比地震造成的直接危害更为严重2。35地震作用下边坡稳定性的核心是边坡岩土体的动力响应3，人们采用数值方法和动力试验等 方法，对边坡的动力响应及变化规律3-5、土体软化6、边坡破坏特征7,8、稳定性9,10以及变形破 坏机制等开展了大量研究。基于对地震作用力的认识，当前研究以及工程设计和治理中仍多关注 水平地震力。越来越多的研究和地震记录表明，地震期间不仅有水平地震力，也有竖向地震力， 地震对建筑物的破坏因水平震力和竖向地震力共同作用而发生11。地震作用下岩土体的变形破40坏与失稳也是二者共同作用所致12-15，更有甚者，某些情况下后者的作用于远大于前者13-15，如 “5·12 汶川地震”时，地震记录到的地面运动竖向和水平加速度基本相当，重达 300 吨的巨石从 山顶被抛射下来12。众所周知，不同赋存环境和结构的岩土体，其力学性质不同，对地震动力作者简介：陈冉升(1986-)，女，主要研究方向：岩土工程数值模拟及地质灾害防治. E-mail:ransheng.chengmail.com响应也因之相应不同。因此，在边坡地震动力破坏特征和机制研究以及稳定性评价和工程治理中， 应针对其赋存环境和坡体结构特征，同时考虑水平和竖向地震力的共同作用。为此，本文拟以45“5·12 汶川地震”诱发的甘肃武都寨子崖滑坡为例，基于详细工程地质条件和坡体结构的调查和 物理力学试验，采用数值方法，探讨反倾巨厚层状岩质边坡的地震响应特征及失稳机制。2 滑坡概况2.1 工程地质概况寨子崖滑坡系 5·12 汶川地震诱发，它位于甘肃省陇南市武都区北峪河左岸。研究区的区域50地质构造复杂，主要受控于西秦岭纬向构造带和武都“山”字型构造带，总体上属白龙江复背斜 北翼，东侧和西侧发育有规模不等的褶皱。受之影响，区域上断裂构造较为发育，主要有 NWW 和 NEE 向两组区域性断裂带。滑坡体所在的寨子崖山顶高程 1230m，前缘高程 1012m，地形相对高差逾 200m。坡体上部 坡度大于 65°，局部近直立；中下部受坡积物覆盖影响，坡度相对较缓，约 25°40°(图 1、图 2)。图 1 滑坡区域地形地貌图图 2 地质剖面图Fig. 1 Topography map of the study areaFig. 2 Engineering geological profile55坡体中主要岩层是反倾巨厚层状灰岩，强度较高。岩层总体产状为 110°130°50°70°，坡 向为 231°。坡体中部为千枚岩夹薄层灰岩互层。坡体中下部地表覆盖黄土层 12m(图 2)。滑坡 区不仅断裂不发育，结构面也发育较少，寨子崖斜坡体内主要发育 4 组结构面(表 1)，其中灰岩 层面组结构面(组)相对较为发育，其次为与斜坡临空面近于平行的卸荷裂隙(组)，坡体内60缓倾结构面不甚发育，局部见缓倾坡内的结构面(组)。表 1 结构面分组Tab.1 Structural planes groups分组11013倾向(°)0300341180240030倾角(°)5070204065855087对于该反倾巨厚层状灰岩斜坡，坡体内结构面不甚发育，尤其是不发育缓倾向坡外结构面。65仅在重力作用下，寨子崖山体不具备产生滑坡的条件。2.2 滑坡基本特征汶川地震时，寨子崖山体出现开裂、崩塌，崩落的岩块砸毁坡下民房(图 3)。图 3 被毁民房Fig. 3 The destruction civilian houses滑坡顶部张拉裂隙(图 4)杂乱无章、无明显分布规律，多呈折线型展布，部分相互搭接，形 成落水洞，并向上游和两侧扩展，向下延伸至底部滑面(图 5)。张拉裂隙宽度一般 1030cm，深70度较大，最大可达十几米。裂隙下错明显，侧面架空，下错位移约 1020cm，受下错影响，顶部 表面出现明显的错落现象，中部明显较前部和后部低。滑面(产状 265°38°)形状不规则，呈锯齿状，且局部架空，张开 1015cm，局部上下两壁 相互接触，接触带呈破碎现象。滑面内充填粒径各异的岩块。滑面前部出口处局部有岩块压碎现 象。图 4 裂隙陷落带图 5 底部滑面Fig.4 Fall zone of the crackFig. 5 slip surface752 滑坡失稳机制对边坡失稳机制研究的方法有现场调研、理论分析、动力试验和数值计算法。其中数值计算 法以其简便灵活在边坡动力响应分析中广泛应用。近年来引入的拉格朗日元法，突破了拟静力法 的动力问题静力化的局限性以及有限元法的弹性和小变形的限制，在研究中被广泛应用10。本 文采用 FLAC3D 软件的动力学模块分析地震力作用下边坡的动力失稳机制。803.1 模型及参数根据坡体结构特征和材料特性构建模型(图 6)，模型顺坡方向长度 345m，最高处相对高度为 248m，垂直坡向厚度 100m。岩体采用 Mohr-Coulomb 强度准则型弹塑性材料，物理 力学参数根据试验综合选取（表 2）。表 2 岩体的物理力学参数85Tab2.Physico-mechanical parameters of rock masses重度 岩体（kN/m3）剪切模量（MPa）体积模量（MPa）抗拉强度（kPa）粘聚力（kPa）摩擦角（°）基岩2740417055601000100043裂隙01827为了考察汶川地震对边坡的破坏程度，输入的水平地震波和竖向地震波为汶川地震发生时武都台站检测记录的地震波(图 7)，截取其中 30s 进行计算。相应的水平加速度和竖向加速度峰值 分别为 1.864m/s2 和 1.031m/s2。边界条件为自由场边界，采用局部阻尼，阻尼系数为 0.157。90监控点1监控点2监控点3监控点4基岩 卸荷裂隙监控点1监控点2监控点3监控点4基岩 卸荷裂隙图 6 计算模型图Fig 6 numerical calculation model95如果边坡发生破坏，滑动部位相对稳定部位会产生较大的相对位移。计算时在稳定部位设置 基准点，在潜在滑体上设置 4 个监控点(图 6)，得出监控点与基岩的相对位移。2.01.51.00.5水平方向加速度(m/s2)0.0-0.5-1.0-1.50 5 10 15 20 25 30地震波持时(s)1.00.50.0竖直方向加速度(m/s2)-0.5-1.00 5 10 15 20 25 30地震波持时(s)100105110115(a) 水平地震加速度(b) 竖向地震加速度(a) horizontal acceleration(b)vertical acceleration图 7 5·12 汶川地震甘肃武都台站地震波记录Fig 7 Earthquake acceleration of 5.12 Wenchuan Earthquake Monitored by Wudu seismic station3.2 不同受力状态下边坡失稳机制比较分析处在地震荷载中的岩土体其应力状态是由地震形成的动应力和自重形成的净应力叠加，且动 应力的大小和方向都在时刻变化。地震边坡的破坏是由于地震作用产生的动应力改变了边坡原有 的稳定应力场。对静力状态、水平地震力作用和双向地震力作用三种受力状态下的数值分析计算 结果进行比较，主要从边坡变形特征、破坏特征和滑面形成三个方面来分析岩土体的力学响应特 性及可能的内在变形破坏机理。(1)坡体变形特征静力状态下，仅在边坡顶部出现了较小的位移；施加水平地震作用时，位移矢量顺坡面向下 (图 8)，是由水平地震力和重力合力作用产生的向下的滑动力导致的，这会使滑体下部产生摩擦 型的滑面，即相对平滑的滑面。施加双向地震作用后，位移大幅增加，并且位移矢量斜向上，坡体位移矢量方向与裂隙软弱 带夹角约为 60°，这是竖向地震力与水平地震力合力作用引起的，使滑面受斜向上的拉力而破坏， 同时也导致山顶大量岩块抛落(图 3)。0.009 0.010 m0.008 0.009 m0.008 0.009 m0.010 0.011 m0.011 0.012 m0.009 0.010 m0.010 0.011 m0.012 0.013 m0.011 0.012 m0.013 0.014 m0.014 0.015 m0.012 0.013 m0.013 0.014 m0.015 0.016 m0.014 0.015 m0.016 0.017 m0.017 0.018 m0.015 0.016 m0.016 0.017 m0.017 0.018 m120(a)静力状态(a) static force0.157 0.160 m0.160 0.165 m0.165 0.170 m0.157 0.160 m0.160 0.165 m0.170 0.175 m0.165 0.170 m0.175 0.180 m0.180 0.185 m0.170 0.175 m0.175 0.180 m0.185 0.190 m0.180 0.185 m0.190 0.195 m0.195 0.200 m0.185 0.190 m0.190 0.195 m0.200 0.205 m0.205 0.208 m0.195 0.200 m0.200 0.205 m0.205 0.208 m(b)水平地震作用(b) horizontal seismic force0.09 0.10 m0.10 0.12 m0.12 0.14 m0.09 0.10 m0.10 0.12 m0.14 0.16 m0.12 0.14 m0.16 0.18 m0.18 0.20 m0.14 0.16 m0.16 0.18 m0.20 0.22 m0.18 0.20 m0.22 0.24 m0.24 0.26 m0.20 0.22 m0.22 0.24 m0.26 0.263 m0.24 0.26 m0.26 0.263 m125130135140(c)双向地震作用(c)seismic load图 8 不同应力状态下滑坡体的位移云图Fig 8 Displacement map of rock slope at different stress state(2)监控点与基岩的相对位移图 9(a)为监控点水平方向相对位移随地震持时的变化，监控点相对位移与地震波加速度的变 化趋势紧密相关。水平方向相对位移在 7.0s，14.0s 和 18.0s 左右出现了较大的波动，这与输入的 水平方向峰值加速度时刻相对应。此外，水平方向相对位移在 t=14.0s 时发生较大突变，突变后， 相对位移继续增大，20s 后趋于稳定。竖直方向相对位移变化趋势与水平方向相对位移变化相似，但竖直相对位移的突变更为明 显，呈阶梯状(图 9(b)。t=6.0s 和 t=14.0s 时，竖向相对位移出现较大突变，呈现阶梯状增大。此 后，位移值逐渐增大，20s 后趋于稳定。水平方向和竖向方向相对位移值都达到稳定说明边坡产 生永久位移。监控点水平相对位移和竖向相对位移具有一定的相关性，水平相对位移出现较大波动时， 竖向相对位移同时出现阶梯状升高，导致岩体被拉裂的同时被抛掷，造成拉裂缝中夹入岩块，形 成架空现象。再次发生波动时，使夹入裂缝的岩块被压碎。监控点1 监控点2 监控点3 监控点4监控点相对基岩水平方向位移变化(m)0.150 0.1250.100监控点1 监控点2 监控点3 监控点40.0750.0500.0250.000-0.0250 5 10 15 20 25 30地震波持时(s)(a)相对基岩水平位移145(a) relative displacement of horizontal direction0.09监控点相对基岩竖直方向位移变化(m)0.080.07监控点1 监控点2 监控点3 监控点4监控点1 监控点2 监控点3 监控点40.060.050.040.030.020.010.001501550 5 10 15 20 25 30地震波持时(s)(b) 相对基岩竖直位移(b) (a) relative displacement of vertical direction图 9 监控点相对基岩位移随地震持时变化Fig 9 Curve of relative displacement-time of monitory point(3)坡体破坏特征通过对比不同受力状态下的塑性区分布图(图 10)，可以发现静力状态下，坡体顶部裂隙带局 部出现受拉破坏区，但并未贯通。水平地震作用下，塑性区域贯通裂隙带，且转变为以受剪为主， 但下部并未贯通。施加双向地震力作用后大部分受剪区转变为受剪受拉区域，并且在裂隙旁边衍生出受拉区 域，裂隙尾部产生的受拉区相交成锯齿状的受拉破坏区(图 5)。过去受剪过去受剪，过去受拉 过去受拉过去受剪 过去受剪，过去受拉 过去受拉160(a)静力状态(a)static force过去受剪过去受剪，过去受拉 现在受剪过去受剪 过去受剪，过去受拉 现在受剪(b)水平地震作用(b) horizontal seismic force过去受剪过去受剪，过去受拉 过去受拉过去受剪 过去受剪，过去受拉 过去受拉165170(c) 双向地震作用(c)seismic load图 10 不同应力状态下滑坡体的塑性区分布Fig 10 Plastic zones of rock slope at different stress state175180(4)坡体滑面形成特征对比分析不同应力状态下滑坡剪应变增量云图(图 11)，可以看出，静力状态下，部分裂隙带 出现剪应变增量集中区。施加水平地震作用后，剪应变增量值较静力状态下有所增大，但在裂隙 底部增幅很小，剪应变增量区域并未相交。施加双向地震作用后，裂隙带出现明显的剪应变增量 集中区。裂隙底部形成相交贯通的剪应变增量区，构成滑坡体失稳的滑面。通过上述分析可以得出，静力状态下，边坡体基本处于稳定状态；水平地震力作用下，没有 形成贯通的底滑面，只有双向地震力作用下的破坏方式与观测到的地质现象相符。因此需要对双 向地震力作用下的边坡动力响应过程进行进一步分析。0.00 0.25 mm0.25 0.50 mm-0.000003 0.00 mm-0.000003 0.00 mm0.00 0.25 mm0.50 0.75 mm0.25 0.50 mm0.75 1.00 mm1.00 1.25 mm0.50 0.75 mm0.75 1.00 mm1.25 1.50 mm1.00 1.25 mm1.50 1.75 mm1.75 2.00 mm1.25 1.50 mm1.50 1.75 mm1.75 2.00 mm(a)静力状态(a)static force1.0 2.0 mm2.0 3.0 mm-0.0002 1.0 mm-0.0002 1.0 mm1.0 2.0 mm3.0 4.0 mm2.0 3.0 mm4.0 5.0 mm5.0 6.0 mm3.0 4.0 mm4.0 5.0 mm6.0 7.0 mm5.0 6.0 mm7.0 8.0 mm6.0 7.0 mm7.0 8.0 mm185(b) 水平地震作用(b) horizontal seismic force0.0 2.5 mm2.5 5.0 mm-0.004 0.0 mm-0.004 0.0 mm0.0 2.5 mm5.0 7.5 mm2.5 5.0 mm7.5 10.0 mm10.0 12.5 mm5.0 7.5 mm7.5 10.0 mm12.5 15.0 mm10.0 12.5 mm15.0 17.5 mm17.5 20.0 mm12.5 15.0 mm15.0 17.5 mm17.5 20.0 mm190195(c) 双向地震作用(c)seismic load图 11 不同应力状态下滑坡体的剪应变增量Fig 11 Nephograms of shear strain increment of rock slope at different stress state3.3 双向地震力作用下的边坡动力响应过程图 12 为不同时刻边坡岩土体塑性区分布，从 t=6s 到 t=20s 裂隙上部的拉剪破坏区贯通整个 裂隙带，裂隙底部的拉破坏区不断扩大，有相连成一条受拉破坏区的趋势。从 t=20s 到计算终态 (图 9(c)塑性区变化不大，说明 t=20s 时边坡破坏过程已基本完成。到计算终态时，裂隙底部的 受拉破坏区已贯通为拉张破坏带(图 5)。现在受剪，过去受剪现在受剪，过去受剪，过去受拉 现在受剪，现在受拉，过去受拉过去受剪过去受剪，过去受拉 现在受拉，过去受拉现在受剪，过去受剪 现在受剪，过去受剪，过去受拉 现在受剪，现在受拉，过去受拉 过去受剪过去受拉过去受剪，过去受拉 现在受拉，过去受拉 过去受拉(a) t =6s现在受剪，过去受剪，过去受拉过去受剪 过去受剪，过去受拉现在受剪，过去受剪，过去受拉 过去受剪现在受拉，过去受拉，过去受剪过去受剪，过去受拉现在受拉，过去受拉 过去受拉现在受拉，过去受拉，过去受剪 现在受拉，过去受拉过去受拉200(b) t =12s过去受剪过去受剪，过去受拉现在受拉过去受剪 过去受剪，过去受拉 现在受拉205(c) t =20s图 12 不同时刻塑性区分布图Fig 12 Plastic zones of rock slope at different times2102152202252302354 结论(1)底部锯齿状滑面的形成及顶部部分岩土体被抛出表明反倾岩质边坡在地震作用下的 失稳机制包含了拉裂引起的破坏。(2)水平和竖向加速度共同作用时，竖向地震力作用对边坡稳定性和位移有更大的影响。(3)双向地震力作用下的反倾岩质边坡破坏机制比单一水平地震力作用时更符合实际。 反倾岩质边坡在地震力作用下的失稳是岩土体受拉和受剪的共同作用引起的，特别是边坡在 地震往复运动中，边坡岩土体更易发生拉破坏。(4)竖向地震作用使边坡向上受拉破坏，水平地震作用使边坡岩土体产生向前运动的力。参考文献 (References)1 徐强,黄润秋. 5.12 汶川大地震诱发大型崩塌灾害动力特征初探J.工程地质学报,2008,16(6):721-729.2 尹紫红.地震作用下的高速公路滑坡稳定性分析J.重庆工学院学报(自然科学版),2007,21(9):92-95.3 徐光兴,姚令侃,李朝红,等.边坡地震动力响应规律及地震动参数影响研究J.岩土工程学 报,2008,30(6):918-923.4 祁生文,伍法权,严福章,等.岩质边坡动力反应分析M.北京:科学出版社,2007.5 刘春玲,祁生文,童立强.利用 FLAC3D 分析某边坡地震稳定性J.岩石力学与工程学报,2004,23(16):2730-2733.6 George D. 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