地震滞后滑坡的破坏机理及防治措施研究

倪振强，史存鹏，韩 涛

(1.聊城大学建筑工程学院，山东 聊城 252000;2.长江三峡勘测研究院有限公司，武汉 430074)

1 研究背景

地震滑坡是由于地震作用而引起的滑坡现象，它既可以伴随地震的发生而立即产生——地震伴生滑坡，也可以在地震发生后一定时间内发生——地震滞后滑坡［1－2］。汶川地震是新中国成立以来破坏性最强、波及范围最广的一次特大地震，诱发的地震滑坡灾害最为严重。特别是由于地震作用形成了许多的不稳定斜坡，在一定外力作用下可形成地震滞后滑坡［3－4］。

岩质斜坡因构造复杂，产状不一，所以分析起来比较困难，而地震作用下的岩质斜坡的稳定性分析就更加困难。目前常用的斜坡动力分析方法主要有拟静力法、滑块分析法、数值分析方法和试验法等［5－6］。其中，近年来伴随着计算机技术和计算力学的高速发展，动力有限元软件ANSYS/LS-DYNA因其在动力学计算中的优越性，被广泛应用于模拟斜坡动力响应的研究中［7－8］。

本文以汶川地震后的某不稳定斜坡为例，利用ANSYS/LS-DYNA软件对其在地震作用下的动力响应进行数值模拟，结合工程地质勘察确定了潜在的破坏模式，并提出了相关的防治措施。为岩质地震滑坡的破坏机理分析方法提供新思路，并为相关工程的防治提供了经验。

2 不稳定斜坡的地质概况

汶川地震中的某不稳定斜坡，地层岩性主要有第四系地层(冲洪积层、残坡积层、崩坡积层)和志留系茂县群。不稳定斜坡坐标为x:493 918.456;y:3 444 743.994，前缘高程为1 601 m，后缘高程为1 720 m。不稳定斜坡上部的岩性为灰色中厚层状千枚岩，地层产状为277°∠56°，主滑方向 189°，为斜切向坡，坡度64°，危岩构造节理发育，可以大致分为3组:①277°∠80°，延伸20～25 m，起伏粗糙，微张0.1～0.3 cm，裂面强风化，干燥;②203°∠63°，延伸25～30 m，平直粗糙，微张0.1～0.3 cm，裂面强风化，干燥;③207°∠3°延伸 3～5 m，间距 1～2 cm，起伏粗糙，微张0.1～0.3 cm，裂面强风化，干燥，不同区段方向有差异。不稳定斜坡宽20 m，高30 m，厚3～5 m，体积为1 800～3 000 m3，地质构造如图1。

3 计算模型的建立

3.1 动力响应时程分析法

地震作用下的斜坡动力响应分析方法，常用振型分解反应谱法与时程分析法2种动力有限元方法，本文采用的是时程分析法。时程分析法是地震过程中体系反应随时间变化过程－时间历程的分析方法［9－10］。由体系的运动方程出发，从地震发生的起始状态开始，逐步进行积分求解，直到地震过程结束，可获得体系在岩层中从静止状态到振动状态的全部过程。时程分析将地震波作为模拟的地震输入，即水平和竖直向地震波输入后，通过运动方程的积分求出地震持续时间内体系的内力和变形随时间的变化过程。本文采用Newmark-β算法进行运动方程的求解，其动力平衡方程为

图1 不稳定斜坡工程地质剖面Fig.1 Engineering geology profile of unstable slope

单元的阻尼矩阵采用瑞利阻尼，其公式为

式中α，β为用来控制阻尼的常数，可按下式来决定:

式中:λ为阻尼比;ω为系统的自振频率。

3.2 有限元模型建立

根据地质勘查资料，模型所采用的计算材料参数见表1。

表1 计算采用的材料参数Table 1 Material parameters in the calculation

ANSYS模型划分单元网格3 752个，节点3 313个。划分网格时，结构面为硬性结构面，采用接触单元contact14模拟，摩擦系数取0.35;网格节理处划分单元较小，网格较密，远离节理时较稀疏。这样来划分网格，是因为节理周围是应力集中区，加大网格密度能加强模拟计算的精确性，网格模型如图2。

图2 有限元网格模型Fig.2 Finite element meshes

4 地震加速度时程的输入与边界条件设置

根据什邡八角台的记录，汶川地震波持时约225 s，在实际的模拟计算中，为了优化模拟计算，没有必要全部输入，因此本次计算中只截取了振幅较大的70 s，如图3所示。输入地震波为东西向和竖直向地震波，加速度时间间隔0.05 s。其中东西向地震波加速度峰值为－200 cm/s2≈0.2g，相当于8度的烈度，竖向地震波加速度峰值为101 cm/s2。在ANSYS中输入地震波时为方便结果分析，统一将加速度的单位改为m/s2。边界条件采用黏弹性边界条件［11－12］，瑞利阻尼常数 α=0.023，β=0.107。

图3 汶川地震波Fig.3 Wenchuan seismic waves

5 不稳定斜坡的动力响应机理分析

通过对模型输入地震波进行数值模拟后，从斜坡的塑性区分布(图4)可以看出:节理②和③之间的塑性区已经贯通，但其值较小并未达到塑性应变极限，加之不稳定斜坡的构造和地貌条件，使得斜坡并未产生破坏。而对于节理①，顶端只产生了一小部分塑性区，对斜坡稳定性没有较大影响。

图4 斜坡的塑性区分布Fig.4 Distribution of plastic zone

为得到斜坡在地震作用下斜坡破坏时的动力响应情况，对斜坡的关键点进行监测，监测点的布置如图5所示。

图5 斜坡监测点布置Fig.5 Layout of monitoring points

图6为监测点7，8的位移时程曲线。从图6(a)可以看出，当地震波穿过节理面时，发生了复杂的波场分解。地震波穿越节理面后，发生了较大变化，使节理面上下岩体运动方式不同。在地震作用下，节理外侧的岩体有向临空面移动的趋势，而节理内侧的监测则是有向内侧移动的趋势，但总体永久位移值很小，属于mm级。从图6(b)可以看出，节理内外侧岩体的竖向位移相对较大，为cm级，节理内侧监测点位移稍大。

从图7(a)可以看出，监测点4—6的水平向永久位移都是朝向坡体内部，而且其值向坡体内部依次减小。从图7(b)可以看出，监测点4—6的竖向平向永久位移与水平位移变化趋势相反，其值向坡体内部依次增大。

图6 监测点7，8的位移－时程曲线Fig.6 Time-history curves of displacement for point 7 and 8

图7 监测点4—6的位移时程曲线Fig.7 Time-history curves of displacement for point 4 to point 6

图8为监测点9—11的位移时程曲线。通过图5和图8(a)可以看出，监测点的水平位移较小皆为mm级，节理②和③之间岩桥的中部和上部的2个监测点9和10的水平向位移基本相似，移动趋势为向X正向(即向临空面);而监测点岩桥下部监测点11的移动趋势是向着斜坡内部。从图8(b)可以看出，监测点的竖向位移相对较大为cm级，从上至下监测点的竖向位移依次减小。从图9(a)可以看出，岩桥中间的剪应力在初期迅速增值后，在后续的振动中逐步归零，而岩桥两端的剪应力较大，特别是岩桥下部的剪应力值较大。从图9(b)可以看出，岩桥中部的为张拉应力，其值相对较大，而岩桥两端为压应力，上部值较小，下部值较大。

图8 监测点9—11的位移时程曲线Fig.8 Time-history curves of displacement for point 9 to point 11

图9 监测点9—11的剪应力及第一主应力时程曲线Fig.9 Time-history curves of shear stress and first principal stress for point 9 to point 11

最后本文对节理层间滑距的动力响应进行分析。图10为监测点1—3的层间滑距时程曲线。通过图5和图10可以看出，节理层间的滑距是非常小的，而且节理①的层间滑距与节理②和③的层间滑距方向相反。这是由于节理②和③有向下滑动的趋势，而对节理①的挤压作用造成。

图10 监测点1—3的层间滑距时程曲线Fig.10 Time-history curves of contact sliding distance for point 1 to point 3

从以上分析中可以看出，由于节理②和节理③之间岩桥的位移变形，使得内部岩体受到挤压，而产生了向坡体内部微小移动的趋势。岩桥塑性区的产生主要是由于岩桥两端的较大剪应力和岩桥中部的较大张拉应力所造成的。但由于塑性变形相对较小，未达到塑性破坏极限，因此斜坡并未发生破坏。

6 主要工程地质问题及防治措施

通过数值分析可以看出，虽然斜坡暂未破坏，但斜坡内部已经发生了塑性变形。在以后的一段时期内，外力如地震、暴雨或人为活动都有可能使得斜坡破坏。

根据勘查地面资料成果，不稳定斜坡在汶川地震过程中，其表层节理切割严重，存在较多松动岩块以及危岩体。坡体后缘出现张拉裂缝，岩体表面的碎石土崩落。从数值分析可以看出，如若斜坡发生滑动，其滑动面主要是沿节理②和节理③，如图11所示。由于陡坡高度大，斜坡表面岩体节理切割严重，倘若发生崩塌，岩体将沿陡坡翻滚而下加速运动，冲击力迅速增加，破坏性强。另外，当滑坡体发生破坏后，由于卸荷回弹作用，可能导致节理①的滑动破坏。

图11 震后斜坡全貌Fig.11 The overall view of slope after earthquake

由于不稳定斜坡体地势较高，若采用被动防护网，滚石冲击能会很大，而且如果发生整体滑动，被动防护网可能会直接被破坏。对于主动防护网虽能固定不稳定斜坡表面，但无法阻止斜坡的整体滑动。因此根据分析提出以下2点治理意见:对地震造成的后缘裂缝进行注浆处理，填充裂缝，将有效预防雨水的侵入;另外将不稳定斜坡体进行削坡减载，将有效地减小其下滑力。

7 结论

由于地震的强烈震动作用，使一些岩质斜坡内部形成了塑性连通区，易使斜坡形成不稳定斜坡，遭遇外力作用后有可能形成地震滞后滑坡。由于这种滑坡的不确定性，在灾后重建过程中尤其要引起注意，否则将会造成极大的生命和财产损失。本文以汶川地震后的某不稳定斜坡为例，通过分析得到以下结论:

(1)在地震作用下，岩桥内部应力波动剧烈，拉剪共同作用导致了岩桥的贯通;在地震作用下，层间节理位移分布很不均匀，动力响应也有较大不同。

(2)斜坡岩桥在地震作用下发生位移破坏，产生了永久变形。需要指出的是，斜坡经过地震作用后，岩桥未达塑性极限，有可能不会立即破坏，而是在再次遭遇外部干扰后才会发生滑坡。

(3)根据地震滞后滑坡的特点，确定了潜在的滑动面，并提出了裂缝注浆和削坡减载的治理措施。

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