地震作用下破碎岩体边坡破坏模式分析

王 博

（天津市政工程设计研究总院有限公司，天津 300392）

破碎岩体边坡是由节理裂隙较发育的破碎岩块组成，广泛分布于地质构造活动剧烈及风化现象严重的地区，整体强度较低，开挖及长期稳定性差，易发生失稳破坏。在地震作用下，因结构振动产生的惯性力，使得边坡体内力增大，产生位移、速度和加速度等动力效应。由于破碎岩体边坡结构面发育，在地震扰动下，严重破坏了岩块间镶嵌咬合及胶结作用，使边坡破碎岩体溃散、解体，强度急剧下降，造成破碎岩体边坡大规模滑移失稳，给公路通行安全带来巨大威胁。以2008年汶川地震为例，在对受地震影响较严重的公路沿线边坡病害调查中发现，81处边坡病害中48处为破碎岩体边坡，占比高达59.3%[1]。

公路交通设施作为“生命线”工程和经济发展的“先导”，在灾害救援以及脱贫攻坚中都扮演了重要的角色。正确认识破碎岩体边坡地震动力效应及破坏形态，提高边坡抗震能力，对于保证公路施工、运营安全及预防灾害有着重大意义。目前关于破碎岩体边坡的研究主要集中于均质边坡处理，忽略了岩体结构在破碎岩体边坡变形破坏中所发挥的作用。本文利用UDEC离散元软件开展破碎岩体边坡动力稳定性分析，为更好地认识破碎岩体边坡地震反应提供参考。

1 UDEC离散元软件

离散单元法的思想起源于分子动力学，美国学者Cundall P A等[2～3]于1971和1978年相继提出适用于岩体和土体力学问题分析离散元方法，而后迅速得到发展和推广[4]。MAINI等[5]通过改进已有的刚体离散元模型，开发出可变形块体以及允许断裂的通用离散元程序（UDEC，Universal Distinct Element Code）并进行了大量应用。

岩体与岩石的重要区别在于岩体中存在大量的不连续面，而由此组成的裂隙网络是造成岩体非连续性、非均匀性和各向异性的根源。由于各种不连续面的存在严重破坏了岩体的完整性，使得其强度大幅下降且要远低于岩石本身的强度。对于工程中所关心的岩体稳定问题，起主要控制和决定性作用的往往是岩体强度，显然连续介质分析方法在分析涉及到岩体稳定性方面问题时存在一定的限制；而从离散单元法发展出来的非连续介质方法能够较真实和有效地反映岩体结构，进而较准确地分析岩体变形特性、破坏规律等。

相比于采用连续介质方法的数值分析软件，UDEC在对岩体进行数值模拟时具有以下特点：

1）以离散的块体集合体来表示岩体中的结构体即完整的岩块，将岩体内部存在的不连续面处理为块体与块体之间的边界面，能够较真实地模拟岩体结构；

2）允许离散块体沿不连续面发生较大位移和转动，计算过程中，当岩体内部结构面受力状态超过其所能承受的极限时，岩块会滑移、剥落，可以较好地展示岩体工程失稳破坏过程；

3）在计算过程中能够自动识别新的接触面，较好地模拟和观察岩体内部节理裂隙的开裂扩展和发育。

2 数值模型建立

建立理想破碎岩体边坡模型，边坡高30 m，坡度1∶1，岩体块度取0.5 m。见图1。

图1 破碎岩体边坡模型

模型岩石物理力学参数：质量密度2 400 kg/m3、剪切模量4.63 GPa、内摩擦角30°、黏聚力0.7 MPa。模型结构面物理力学参数：法向刚度5 GPa/m、切向刚度1 GPa/m、内摩擦角25°、黏聚力0.12 MPa。

在模拟破碎岩体边坡静力失稳时，通过降低结构面力学指标来实现，分别对边坡在重力作用下的静力失稳和受地震扰动下的动力失稳进行模拟计算分析，其中动力稳定性分析选取峰值加速度为0.20g的简谐横波作为地震动荷载从模型底部输入，同时在边坡模型左右侧面和底部设置粘滞边界，采用局部阻尼，局部阻尼系数取0.157。

3 破碎岩体边坡静力失稳与动力失稳

通过分析破碎岩体边坡在重力作用及动力作用下的数值模拟结果，对比破碎岩体边坡静力失稳与动力失稳的差异。

3.1 边坡位移

破碎岩体边坡动力失稳方式与静力失稳存在明显差异。由于对输入地震波存在垂直向的放大作用，破碎岩体边坡动力失稳时，破坏深度及范围自坡底至坡顶不断扩大，边坡顶部位移值较大；同时整体位移要大于静力失稳。由于本部分边坡模型破碎岩体规模及破碎程度较大，导致重力作用下破碎岩体边坡发生类似均质土坡的近似圆弧形滑移，也表明对于规模较大的破碎岩体边坡稳定性计算，可采用圆弧形滑面，与GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》中相关说法一致[6]；同时，边坡浅层局部小范围内位移较大。见图2。

图2 边坡位移云图

破碎岩体边坡静力失稳时，位移方向自坡顶至坡脚由斜向下逐渐变化为斜向上。针对上述情况，主要考虑重力作用下破碎岩体边坡自坡底至坡顶发生剪切滑移失稳，具体表现为边坡潜在滑移面上抗剪强度不足以抵抗坡体下滑力，同时坡体下滑力不断传递至坡脚附近，导致边坡在坡脚附近率先发生破坏而剪出，而后随着坡脚岩体不断向坡外滑移，牵引上部岩体不断向下滑塌，最终自坡底至坡顶发展出贯通滑裂面，导致边坡发生整体滑移失稳；结合图2分析可以得出，破碎岩体边坡静力失稳主要以整体剪切滑移失稳为主，边坡浅表层局部存在崩塌、掉块现象。破碎岩体边坡动力失稳时，边坡岩体位移方向整体近似水平，主要考虑地震波传递过程在坡体中产生地震惯性力，将岩块拉离坡体，由于岩体结构面抗拉强度较低，在地震拉力作用下极易发生失稳；破碎岩体边坡发生动力失稳时，岩块被抛射速度大、飞落距离远、破坏体的运动性更强，主要以地震作用产生的拉应力导致的岩体崩塌、抛落现象为主且以坡肩附近尤为剧烈。见图3。

图3 边坡位移矢量图

3.2 边坡岩体结构面开裂情况

破碎岩体边坡静力失稳时，结构面开裂和贯通区域主要在坡面一定深度范围内和坡顶，与失稳滑移区域分布基本一致。破碎岩体边坡动力失稳时，坡体结构面开裂与贯通程度要远大于静力失稳。见图4。

图4 边坡岩体结构面开裂情况

图4 中，动力失稳红色虚线为震后坡型，可以看出边坡岩体在地震作用后坡体体积增大，主要考虑岩块之间镶嵌咬合程度下降，紧密性被破坏。

4 结论

1）对于规模和破碎程度较大的破碎岩体边坡，其静力失稳主要表现为剪切作用诱使的整体圆弧滑移，局部伴有坍塌、掉块现象。

2）破碎岩土边坡动力失稳主要表现为地震作用产生的拉力造成的岩体崩塌、抛射现象。

3）对比两种失稳破坏，动力作用下岩体变形破坏运动性明显更强，失稳位移更大。破碎岩体边坡动力破坏方式与动力响应规律有关，整体表现为自坡脚至坡顶失稳范围、位移值不断扩大，同时地震扰动导致岩块间镶嵌咬合程度下降，结构面开裂贯通剧烈，坡体体积略有增加。