地震作用下層狀巖質邊坡變形破壞規律研究

□ 姚亮亮 王巖 牛林峰

（1.河南省水利勘測設計研究有限公司，河南 鄭州 450016；2.中國海外工程有限責任公司，北京 010000）

0.引言

地震是引起邊坡變形破壞的重要因素，經常造成滑坡、崩塌等地質災害，引起大面積邊坡變形破壞、加速山地環境向惡性循環發展[1-2]。地震誘發的與邊坡有關的地質災害不僅分布范圍廣，數量多而且危害程度大，往往給生產建設和生命財產帶來巨大傷害[3-5]。1920年，寧夏海源8.5級地震造成大量大型滑坡，十余萬民眾死于地震誘發滑坡，其狀慘不忍睹[6]；1994年，美國加利福尼亞州Northridge發生6.5級地震，誘發大范圍的滑坡，滑坡數量高達一萬多處，造成巨大經濟損失[7]；2008年，四川汶川8.0級地震，震動全國，地震所觸發的地質災害數萬處，對經濟建設和人民生命財產造成重大損害[8]。因此，加強對地震作用下邊坡變形破壞規律的研究具有重要的現實意義，能有效指導相關地質災害的防治和工程實踐。

離散元法利用顯式時間差分解法求解動力平衡方程，使其在求解非線性大位移與動力穩定性問題時具有得天獨厚的優勢，因此離散元法最適合分析研究地震作用下巖質邊坡的動力響應問題[9-10]。周劍等[11]利用離散元軟件UDEC分析了地震作用下水平層狀巖質邊坡的結構面效應；冷先倫等[12]通過離散元軟件UDEC模擬分析了邊坡的開挖變形破壞。

本文通過離散元軟件UDEC分析研究了地震作用下層狀巖質邊坡的變形破壞規律，并結合振動臺模型試驗結果對地震作用下層狀巖質邊坡的變形破壞規律做了進一步地探討。

1.數值模型建立

層狀巖質邊坡在地震作用下的動力響應數值分析以物理模型邊坡的概化原型為研究對象，建立二維簡化的數值計算模型（如圖1所示）。模型高36m，底部邊長36m，邊坡坡角60°，巖層傾角75°，巖層厚度1.2m。在數值模擬計算中，邊坡塊體本構關系采用摩爾庫倫準則，結構面選用庫倫滑移結構。數值模型左側邊界固定X軸方向位移，底面固定X軸，Y軸方向位移，頂面及右側坡面作為自由面處理。模型共劃分為26143個三角形單元，單元最大邊長為0.5m，劃分單元后的模型（如圖2所示）。在數值計算過程中，首先進行模型自重分析，將重力作用下得到的應力作為初始應力條件，然后施加動力荷載。數值計算所施加的動力荷載為頻率為15Hz，持時為20s，振幅為0.20g的正弦波。巖體物理力學（如表1所示）。

圖1 數值模型

圖2 模型單元劃分

表1 巖體物理力學參數

2.邊坡變形破壞分析

本文研究分析中輸入的地震波為正弦波，正弦波的頻率為20Hz，振幅為0.20g，振動持續時間為20s。圖3為正弦波作用下數值模型的位移響應云圖，從圖中可以看出，數值模型的位移集中在邊坡中上部，坡肩及坡面淺表部的位移最大，從上到下位移逐漸減小，模型底部的位移幾乎為零，同一高程處坡面位移大于坡內位移。圖4為數值模型邊坡的速度響應云圖，從圖中可以看出，在震動的過程中，邊坡的頂部及淺表部的速度較大，底部速度較小，同一高程處坡面的速度大于坡內速度，模型邊坡速度響應云圖的變化規律與其位移響應云圖的變化規律相照應。

圖3 位移響應云圖

圖4 速度響應云圖

為了進一步分析地震作用下層狀巖質邊坡的變形破壞規律，構建了數值模型邊坡對應的物理模型邊坡，進行了振動臺模型試驗。通過觀察宏觀試驗現象，得出：模型邊坡的變形破壞首先出現在模型邊坡的頂部及淺表部（如圖5所示），表現為頂部及淺表部的巖塊松動，隨著振動的持續與加強，松動范圍向下擴展，淺表部尤為明顯。變形破壞的加劇導致模型邊坡頂部及淺表部巖塊的脫落（如圖6所示）。

圖5 邊坡頂部及淺表部松動

圖6 邊坡頂部及淺表部掉塊

振動臺模型試驗結果與離散元數值分析結果較好地吻合，地震作用下層狀巖質邊坡的變形破壞首先出現在邊坡的頂部及淺表部，邊坡頂部及淺表部的位移最大，邊坡的頂部及淺表部率先出現劇烈的變形破壞，而邊坡底部的變形破壞最小，幾乎沒有位移。

4.結束語

本文通過離散元軟件UDEC和振動臺模型試驗分析研究了地震作用下層狀巖質邊坡的變形破壞規律，振動臺模型試驗結果與離散元數值分析結果較好地吻合，得出以下結論：

4.1 地震作用下邊坡的響應位移集中在邊坡的中上部，坡肩及坡表部位的位移最大；從上到下邊坡的位移逐漸減小，坡底的位移最小，幾乎為零；同一高程處坡面位移大于坡內位移。

4.2 地震作用下邊坡的響應速度也集中在邊坡的中上部，坡肩及坡表部位的速度最大；從上到下邊坡的速度逐漸減小，坡底的速度最小，幾乎為零；同一高程處坡面速度大于坡內位移。

4.3 地震作用下層狀巖質邊坡的變形破壞首先出現在邊坡的頂部及淺表部，邊坡頂部及淺表部的位移最大，邊坡的頂部及淺表部率先出現劇烈的變形破壞，而邊坡底部的變形破壞最小，幾乎沒有位移。邊坡的頂部及淺表部是最易破壞區域。