卸荷裂隙對巖體邊坡地震動影響的數(shù)值模擬研究

摘 要：本文采用數(shù)值模擬的方法，利用UDEC軟件，開展了卸荷裂隙對巖體邊坡地震動影響的數(shù)值模擬研究，研究內(nèi)容涉及卸荷裂隙密度及卸荷裂隙帶深度的影響。根據(jù)該數(shù)值模擬出的結(jié)果可以看出，鞋盒裂隙的密度呈現(xiàn)的越大，其地震動就在該卸荷區(qū)域內(nèi)的動力響應(yīng)就會更加的強烈，而在坡肩上的加速度放大系數(shù)也就很大；卸荷帶水平深度越大，卸荷巖體的動力響應(yīng)的加速度放大系數(shù)就越小。上述規(guī)律對于巖質(zhì)卸荷裂隙發(fā)育邊坡地震穩(wěn)定性分析具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：卸荷裂隙 巖質(zhì)邊坡 數(shù)值模擬

中圖分類號：TU45 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（b）-0069-02

巖質(zhì)邊坡在人工開挖和風(fēng)化侵蝕下其側(cè)向應(yīng)力減弱，發(fā)生卸荷回彈，導(dǎo)致卸荷裂隙在巖質(zhì)邊坡中普遍發(fā)育[1]。這些卸荷裂隙一般是平行與坡面分布，與軟弱面或巖層面相交切割邊坡后往往形成危巖體，這些危巖體在地震力、重力及水壓力的共同作用下有可能形成崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，嚴重威脅人民群眾的生命財產(chǎn)安全。

本文展開了卸荷裂隙對巖體邊坡地震動影響的二維數(shù)值模擬研究。鑒于離散元軟件UDEC可以很好地解決離散巖體的非線性動力分析問題，并已經(jīng)在邊坡工程、地下結(jié)構(gòu)工程和采礦工程等領(lǐng)域上廣泛的應(yīng)用了[5]，本文的數(shù)值模擬采用了UDEC軟件。為便于邊坡內(nèi)不同位置地震動強度的比較，研究中定義邊坡巖體中一點地震動峰值加速度aP與坡腳處地震動峰值加速度aP0之比為邊坡的地震動加速度放大系數(shù)x（x=aP/aP0）。本文研究內(nèi)容涉及卸荷裂隙間距及卸荷深度對巖體邊坡地震動加速度放大系數(shù)空間展布的影響。

1 含卸荷裂隙邊坡動力響應(yīng)模擬方案

1.1 基本假定

巖質(zhì)邊坡動力響應(yīng)所受結(jié)構(gòu)面的影響，以下就是本文的研究，且遵循如下假定。

（1）應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系：平面是應(yīng)變狀態(tài)。（2）巖石材料：各向同性材料是均勻的。（3）結(jié)構(gòu)面本構(gòu)關(guān)系：莫爾-庫倫滑動模型。（4）入射地震波：剪切波從模型底面垂直入射。

1.2 模型工況選擇

巖體中結(jié)構(gòu)面的分布具有不確定性，而且其發(fā)育的規(guī)模和特征也有很大的不同，考慮現(xiàn)實中所有情況下巖質(zhì)邊坡動力響應(yīng)所受結(jié)構(gòu)面的影響存在著很大的困難。為了突出主要矛盾，考慮巖體邊坡中卸荷裂隙發(fā)育的一般情況，本文主要采用平行于坡面的結(jié)構(gòu)面來模擬卸荷裂隙。主要工況為如下。

坡面向內(nèi)一定范圍內(nèi)，在垂直于這個坡面，我們可以布置幾條平行于坡面的結(jié)構(gòu)面，上部切穿坡頂面，下部截止于一條水平貫穿性結(jié)構(gòu)面。我們設(shè)定，結(jié)構(gòu)面剛度值為較低值，結(jié)構(gòu)面抗拉強度為零。，在這種情況下，工況主要模擬巖質(zhì)邊坡動力響應(yīng)所受卸荷帶的影響。模擬中主要考慮卸荷裂隙發(fā)育密度和卸荷帶深度的變化。

工況示意圖如圖1所示。圖中：D為邊坡水平長度；H為邊坡高度；h為結(jié)構(gòu)面與坡面交點位置高度；b為坡角；γ為結(jié)構(gòu)面傾度；d為卸荷裂隙間距，l為卸荷裂隙帶的高度；s為卸荷帶深度，f為入射地震波頻率。

模擬中主要關(guān)注結(jié)構(gòu)面附近加速度放大系數(shù)等值線的分布與坡肩放大系數(shù)的量值。

1.3 模型邊界條件與參數(shù)選取

為了消除截斷邊界對于應(yīng)力波的反射效應(yīng)，模型底面邊界采用粘滯邊界，模型兩側(cè)采用自由場邊界[2]。為便于邊坡內(nèi)不同位置地震動強度的比較，引入本文開始定義的無量綱參數(shù)，邊坡地震動加速度放大系數(shù)ξ。為了全面了解邊坡各個部位的動力響應(yīng)，利用程序自帶的FISH語言編制了自動布置監(jiān)測點的函數(shù)，記錄計算過程中監(jiān)測點上地震動加速度的變化過程，并自動計算每個監(jiān)測點上地震動加速度的最大值。計算持續(xù)時間應(yīng)該保證入射地震波傳播到坡頂并發(fā)生反射疊加作用，待波場穩(wěn)定后再進行加速度最大值的提取。各種工況模型參數(shù)按表1選取。

1.4 地震荷載

地面地震動過程一般以水平方向振動為主，頻率成分復(fù)雜，地震動加速度主頻一般在2～10 Hz[3]。為了進行一般規(guī)律性研究，本次數(shù)值模擬地震動力荷載輸入采用水平向簡諧振動剪切波，從模型底部邊界垂直入射。首先確定輸入地震動加速度時程，然后對其進行積分轉(zhuǎn)化成速度時程，再將其轉(zhuǎn)化成應(yīng)力時程從邊界輸入。選擇加速度振幅為1 m/s2、頻率為5 Hz的簡諧水平地震動作為輸入地震荷載，進行邊坡地震動響應(yīng)的數(shù)值模擬研究。

同一測點上地震動的位移、速度或加速度均隨輸入地震荷載的強度的增加而增加，三者的強弱變化一致，在邊坡中的強弱分布形式相同。所以，在邊坡地震響應(yīng)數(shù)值模擬中可選用地震動加速度放大系數(shù)來表示邊坡地震動響應(yīng)強度的分布[6]。

2 卸荷裂隙對巖質(zhì)邊坡動力響應(yīng)的影響

2.1 卸荷裂隙間距d

為了研究卸荷裂隙密度對邊坡動力響應(yīng)的影響，在高度為60 m、坡角為60°的巖質(zhì)邊坡肩部設(shè)置深度s=20 m、高度為l的卸荷帶。在卸荷深度范圍內(nèi)分別按照裂隙間隔d分別為5 m，10 m，20 m設(shè)置與坡面平行的卸荷裂隙，卸荷裂隙上端與坡頂面相交，下端截止于一條長度與卸荷深度相同的水平結(jié)構(gòu)面，此水平結(jié)構(gòu)面至坡頂?shù)木嚯x即為卸荷裂隙帶高度l，l設(shè)為10 m，20 m，30 m三種情況，從而構(gòu)成在邊坡肩部一定范圍內(nèi)卸荷節(jié)理的長度和密度變化的邊坡模型。考慮到卸荷裂隙強度較低的特點，取較低的卸荷裂隙剛度值（0.01 GPa/m），我們設(shè)抗拉強度為0，與之相交的水平結(jié)構(gòu)面剛度值定成（0.1 GPa/m）。

加速度放大系數(shù)等值線分布受卸荷裂隙的控制，加速度放大系數(shù)等值線分布密集；加速度放大系數(shù)等值線分布也受卸荷裂隙密度影響[4]。增大裂隙間距d，下部高上部低的現(xiàn)象就會在加速度放大系數(shù)出現(xiàn)，那么，沿著坡肩沿坡面，加速度放大系數(shù)的最大值位置也向下移動，高值圈閉在卸荷塊體的下部形成。加速度放大系數(shù)與間距坡肩和加速度放大系數(shù)呈現(xiàn)良好的負相關(guān)性，間距越大，坡肩加速度放大系數(shù)和卸荷區(qū)內(nèi)加速度放大系數(shù)越小，而且極值隨裂隙間距降低的速率隨間距的增加而變小。所以，裂隙越密集就決定了邊坡在卸荷區(qū)的動力響應(yīng)就越強烈，隨之，穩(wěn)定性就越差，這就印證了較完整塊狀結(jié)構(gòu)邊坡的穩(wěn)定性必須比碎裂結(jié)構(gòu)邊坡好的這一事實。由卸荷節(jié)理越密集上部地震動加速度放大系數(shù)越大的情況可以推論，肩部發(fā)育有密集的卸荷節(jié)理帶的巖體邊坡更加容易發(fā)生地震崩塌災(zāi)害。

2.2 卸荷深度s的影響

在高度為60 m、坡角為30°的邊坡肩部設(shè)置高度為l、深度為s的卸荷節(jié)理。卸荷節(jié)理高度固定為l=10 m，卸荷節(jié)理深度s設(shè)三個值，分別為10 m，20 m，30 m，模擬研究邊坡地震響應(yīng)的受卸荷深度影響。

s對加速度放大系數(shù)等值線的分布也受卸荷深度的影響。加速度等值線的分布隨著卸荷深度的加深而逐漸呈現(xiàn)與卸荷密度變化時相同的變化規(guī)律，即高值圈閉回形成，當卸荷塊體下部靠近坡面的部位時。當?shù)椭等﹂]在卸荷塊體上部出現(xiàn)時，整個塊體的加速度放大系數(shù)就呈現(xiàn)下高上低。隨著卸荷深度的增加，卸荷塊體內(nèi)極值加速度放大系數(shù)和坡肩加速放大系數(shù)而逐漸減小，二者呈現(xiàn)良好的相關(guān)性。因此，卸荷深度越大，所形成的卸荷體的體積就越大，相應(yīng)的響應(yīng)加速度放大系數(shù)越小，卸荷體內(nèi)地震動加速度放大系數(shù)上小下大的分布現(xiàn)象越明顯，從而坡肩發(fā)生崩塌的可能性就越小。

3 結(jié)論及展望

通過數(shù)值模擬實驗，得出以下結(jié)論。

（1）卸荷節(jié)理密度。

邊坡肩部的地震動加速度放大系數(shù)隨間距的增大而逐漸變小，卸荷塊體內(nèi)加速度放大系數(shù)下部高上部低的現(xiàn)象愈加顯著。

（2）卸荷帶水平深度。

卸荷帶水平深度越大，所形成的危巖體體積那么也就越大，卸荷巖體的動力響應(yīng)的加速度放大系數(shù)就越小，并且卸荷塊體也會逐漸顯現(xiàn)上小下大的加速度分布，邊坡發(fā)生崩塌的可能性會逐漸降低。

卸荷裂隙的發(fā)育隨著巖石類型、地應(yīng)力作用及所處地質(zhì)環(huán)境的不同呈現(xiàn)出不同的特性，本文僅是對平行坡面且等間距的卸荷裂隙進行了研究，不能包括所有的工況，今后還應(yīng)該考慮更多影響因素的情況下開展更多的模擬研究，進一步掌握卸荷裂隙對邊坡地震動響應(yīng)的影響規(guī)律。

參考文獻

[1]孫樹林，侯玉賓.邊坡水平卸荷裂隙的突變理論模型[J].河海大學(xué)學(xué)報，1997，25（26）：4-7.

[2]祁生文.邊坡動力響應(yīng)分析及應(yīng)用研究[D].北京：中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，2002.

[3]袁從華，吳振君.平緩反傾紅砂巖高陡切坡的穩(wěn)定性分析[J].巖土力學(xué)，2012，33（3）：79-80.

[4]李曉靜，朱維申，李術(shù)才，等.考慮開挖卸荷劈裂效應(yīng)的脆性裂隙圍巖位移預(yù)測新方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011，30（7）：124-125.