地震作用下层状岩质边坡变形破坏规律研究

2018-09-26姚亮亮王岩牛林峰

经纬天地 2018年4期

□ 姚亮亮王岩牛林峰

（1.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南郑州 450016；2.中国海外工程有限责任公司，北京 010000）

0.引言

地震是引起边坡变形破坏的重要因素，经常造成滑坡、崩塌等地质灾害，引起大面积边坡变形破坏、加速山地环境向恶性循环发展[1-2]。地震诱发的与边坡有关的地质灾害不仅分布范围广，数量多而且危害程度大，往往给生产建设和生命财产带来巨大伤害[3-5]。1920年，宁夏海源8.5级地震造成大量大型滑坡，十余万民众死于地震诱发滑坡，其状惨不忍睹[6]；1994年，美国加利福尼亚州Northridge发生6.5级地震，诱发大范围的滑坡，滑坡数量高达一万多处，造成巨大经济损失[7]；2008年，四川汶川8.0级地震，震动全国，地震所触发的地质灾害数万处，对经济建设和人民生命财产造成重大损害[8]。因此，加强对地震作用下边坡变形破坏规律的研究具有重要的现实意义，能有效指导相关地质灾害的防治和工程实践。

离散元法利用显式时间差分解法求解动力平衡方程，使其在求解非线性大位移与动力稳定性问题时具有得天独厚的优势，因此离散元法最适合分析研究地震作用下岩质边坡的动力响应问题[9-10]。周剑等[11]利用离散元软件UDEC分析了地震作用下水平层状岩质边坡的结构面效应；冷先伦等[12]通过离散元软件UDEC模拟分析了边坡的开挖变形破坏。

本文通过离散元软件UDEC分析研究了地震作用下层状岩质边坡的变形破坏规律，并结合振动台模型试验结果对地震作用下层状岩质边坡的变形破坏规律做了进一步地探讨。

1.数值模型建立

层状岩质边坡在地震作用下的动力响应数值分析以物理模型边坡的概化原型为研究对象，建立二维简化的数值计算模型（如图1所示）。模型高36m，底部边长36m，边坡坡角60°，岩层倾角75°，岩层厚度1.2m。在数值模拟计算中，边坡块体本构关系采用摩尔库伦准则，结构面选用库伦滑移结构。数值模型左侧边界固定X轴方向位移，底面固定X轴，Y轴方向位移，顶面及右侧坡面作为自由面处理。模型共划分为26143个三角形单元，单元最大边长为0.5m，划分单元后的模型（如图2所示）。在数值计算过程中，首先进行模型自重分析，将重力作用下得到的应力作为初始应力条件，然后施加动力荷载。数值计算所施加的动力荷载为频率为15Hz，持时为20s，振幅为0.20g的正弦波。岩体物理力学（如表1所示）。

图1 数值模型

图2 模型单元划分

表1 岩体物理力学参数

2.边坡变形破坏分析

本文研究分析中输入的地震波为正弦波，正弦波的频率为20Hz，振幅为0.20g，振动持续时间为20s。图3为正弦波作用下数值模型的位移响应云图，从图中可以看出，数值模型的位移集中在边坡中上部，坡肩及坡面浅表部的位移最大，从上到下位移逐渐减小，模型底部的位移几乎为零，同一高程处坡面位移大于坡内位移。图4为数值模型边坡的速度响应云图，从图中可以看出，在震动的过程中，边坡的顶部及浅表部的速度较大，底部速度较小，同一高程处坡面的速度大于坡内速度，模型边坡速度响应云图的变化规律与其位移响应云图的变化规律相照应。

图3 位移响应云图

图4 速度响应云图

为了进一步分析地震作用下层状岩质边坡的变形破坏规律，构建了数值模型边坡对应的物理模型边坡，进行了振动台模型试验。通过观察宏观试验现象，得出：模型边坡的变形破坏首先出现在模型边坡的顶部及浅表部（如图5所示），表现为顶部及浅表部的岩块松动，随着振动的持续与加强，松动范围向下扩展，浅表部尤为明显。变形破坏的加剧导致模型边坡顶部及浅表部岩块的脱落（如图6所示）。