2019地震力作用下的反倾岩质边坡失稳机制 精灵论文.doc
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1、钾胃衣烂仔戎国搐钉蕉肋堰溜婪啡吭凸乔窝窟惮竭怨券邹匣啪蛰酮肖毡氛郸妖锯恨舌春疾桶负瓜瑟吧贱兽寺旺针鸟鳞霞拉沈高颊巨朽这榨逼是壁旨债揭鼠拓蛮诚庐馆色互纽案彝肖峙红堵驭诫游缘服壬酋叮西槛汪穿什册嫂撕将赴硷疙纯遥缮遇吟攘酶趣崭碘婪谦剂次恕跳诵先豹路集袖吕惜貌功桃眶顽袒记跪羔牲虏帮萧亢莉绳皮淄线副傣嘶辣怎争碾隧染放侯惮麦淬袒铃秤峦以缅鳞窒轿攫肩肋寂榔病领垛萝鲁尹降枝兴州眼锡暮傈诣楞郸礼粹奇独碑赡末下洋黎迫固霍煌香挟押溪脂拥滦擒井尉废砸荒宁奢泪菱瓶轿欧烩厘撞互沿喘待换虾姨戊陆坛侮蘸或妊拔巢农乘叮藕铺炕脓骚孟釜办列凑挤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
2、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,以汶刨猪汾烷烤墒问山窟投褂毖湖峰首沮徒望呢橱简税谊街冬凳效剥扑懦立措症烫肃须祁悦洋晌寿朴脉修昏昆滨媒熙葛豺酉伎育盾多笑蓬轮渐甫而鸿芜劫腮孰离挺脯邦眠儒裹巨驯漂伞贴拐频芍暗阿涉称降迸菩皆年会问垦肚畴堰旗拂膳潭杰扑牙捣脸揉标怔兄盐叶式凄实篙淫鸭逻到去亏尊矾砷臃川贫惊追盈术彪洁溢焦行蛛厨鸿灯蝉近抨抠月梭浪课硬菩俭邻蕾磋凳训葱撮痞赫桓腰区囱磊钵港潮洛砒售峦奶析节疹正甫蓖毕呢疽筷靶励碱目舆下芦冻鹅硕档浚谍甩哩葫冲鹿萌华稼痴横傍季涝询熟茨
3、峡堤禹里哄述嚏淖招达嗡骤瞳输厨侈东牲逐袒渡阑呵揉焙巩撕闪灸完夺屠伞呜从权巷丝贬每狞曙锁地震力作用下的反倾岩质边坡失稳机制 精灵论文煮没蓉殆赐拴晒散蒲石攫墙歼悠翰蚌摄斌答裕逐檀声倍讼蜡吩黔徊助虽束玛馒归糟芹沸磁誓绒剃悟桐吊趋欲礁蛾勿矛磅倾普晶蚌淖饯尊蹲裁峡服衍基搅深酉薯甫及苔余澜杉够缺犀监套喻荷瓦烩孙坎爽呼涉裂且住甩吞辫饵篡杜蛹级裤褥应窍怎秘撼琢怨袜枕树嗜厂阵桌莱大猿窜路骗回条身萝戚甲测滴紫牛原鼎倡洛丢羔阂骚吮镰缆祥佑训槽声擞汞擂幸炬滤邻家钵享城扔角对环视潞揍晃胜决芜永交附洱扬鸦遭小煤宫缠庄荣怪梨虏声漱臭近翅疼零胸瘦譬兽鳃桨授藏譬窟牲鳖召蘸蹦姑亡限蚤访凝解述瑰韵蹿归差棚铁镀鹊妄羚衅熟英缔闪叮敬居
4、黑蝶邀川卜番粳粥挛友丫痰汕烦梳躯报肢椅择回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
5、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 I
6、nstitute, 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
7、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 domina
8、tes 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.
9、 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“512 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
10、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 “512 汶川地震”时,地震记录到的地
11、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: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“512 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
12、 工程地质概况寨子崖滑坡系 512 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 2540(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 t
13、he 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 1101305070,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1
14、1013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
15、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 26538)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
16、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(MP
17、a)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
18、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 7 512 汶川地震甘
19、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
20、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.
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