地震作用下破碎巖體邊坡破壞模式分析

王 博

（天津市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300392）

破碎巖體邊坡是由節(jié)理裂隙較發(fā)育的破碎巖塊組成，廣泛分布于地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)劇烈及風(fēng)化現(xiàn)象嚴(yán)重的地區(qū)，整體強(qiáng)度較低，開挖及長期穩(wěn)定性差，易發(fā)生失穩(wěn)破壞。在地震作用下，因結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生的慣性力，使得邊坡體內(nèi)力增大，產(chǎn)生位移、速度和加速度等動(dòng)力效應(yīng)。由于破碎巖體邊坡結(jié)構(gòu)面發(fā)育，在地震擾動(dòng)下，嚴(yán)重破壞了巖塊間鑲嵌咬合及膠結(jié)作用，使邊坡破碎巖體潰散、解體，強(qiáng)度急劇下降，造成破碎巖體邊坡大規(guī)模滑移失穩(wěn)，給公路通行安全帶來巨大威脅。以2008年汶川地震為例，在對受地震影響較嚴(yán)重的公路沿線邊坡病害調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，81處邊坡病害中48處為破碎巖體邊坡，占比高達(dá)59.3%[1]。

公路交通設(shè)施作為“生命線”工程和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“先導(dǎo)”，在災(zāi)害救援以及脫貧攻堅(jiān)中都扮演了重要的角色。正確認(rèn)識(shí)破碎巖體邊坡地震動(dòng)力效應(yīng)及破壞形態(tài)，提高邊坡抗震能力，對于保證公路施工、運(yùn)營安全及預(yù)防災(zāi)害有著重大意義。目前關(guān)于破碎巖體邊坡的研究主要集中于均質(zhì)邊坡處理，忽略了巖體結(jié)構(gòu)在破碎巖體邊坡變形破壞中所發(fā)揮的作用。本文利用UDEC離散元軟件開展破碎巖體邊坡動(dòng)力穩(wěn)定性分析，為更好地認(rèn)識(shí)破碎巖體邊坡地震反應(yīng)提供參考。

1 UDEC離散元軟件

離散單元法的思想起源于分子動(dòng)力學(xué)，美國學(xué)者Cundall P A等[2～3]于1971和1978年相繼提出適用于巖體和土體力學(xué)問題分析離散元方法，而后迅速得到發(fā)展和推廣[4]。MAINI等[5]通過改進(jìn)已有的剛體離散元模型，開發(fā)出可變形塊體以及允許斷裂的通用離散元程序（UDEC，Universal Distinct Element Code）并進(jìn)行了大量應(yīng)用。

巖體與巖石的重要區(qū)別在于巖體中存在大量的不連續(xù)面，而由此組成的裂隙網(wǎng)絡(luò)是造成巖體非連續(xù)性、非均勻性和各向異性的根源。由于各種不連續(xù)面的存在嚴(yán)重破壞了巖體的完整性，使得其強(qiáng)度大幅下降且要遠(yuǎn)低于巖石本身的強(qiáng)度。對于工程中所關(guān)心的巖體穩(wěn)定問題，起主要控制和決定性作用的往往是巖體強(qiáng)度，顯然連續(xù)介質(zhì)分析方法在分析涉及到巖體穩(wěn)定性方面問題時(shí)存在一定的限制；而從離散單元法發(fā)展出來的非連續(xù)介質(zhì)方法能夠較真實(shí)和有效地反映巖體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而較準(zhǔn)確地分析巖體變形特性、破壞規(guī)律等。

相比于采用連續(xù)介質(zhì)方法的數(shù)值分析軟件，UDEC在對巖體進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)具有以下特點(diǎn)：

1）以離散的塊體集合體來表示巖體中的結(jié)構(gòu)體即完整的巖塊，將巖體內(nèi)部存在的不連續(xù)面處理為塊體與塊體之間的邊界面，能夠較真實(shí)地模擬巖體結(jié)構(gòu)；

2）允許離散塊體沿不連續(xù)面發(fā)生較大位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)算過程中，當(dāng)巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面受力狀態(tài)超過其所能承受的極限時(shí)，巖塊會(huì)滑移、剝落，可以較好地展示巖體工程失穩(wěn)破壞過程；

3）在計(jì)算過程中能夠自動(dòng)識(shí)別新的接觸面，較好地模擬和觀察巖體內(nèi)部節(jié)理裂隙的開裂擴(kuò)展和發(fā)育。

2 數(shù)值模型建立

建立理想破碎巖體邊坡模型，邊坡高30 m，坡度1∶1，巖體塊度取0.5 m。見圖1。

圖1 破碎巖體邊坡模型

模型巖石物理力學(xué)參數(shù)：質(zhì)量密度2 400 kg/m3、剪切模量4.63 GPa、內(nèi)摩擦角30°、黏聚力0.7 MPa。模型結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)：法向剛度5 GPa/m、切向剛度1 GPa/m、內(nèi)摩擦角25°、黏聚力0.12 MPa。

在模擬破碎巖體邊坡靜力失穩(wěn)時(shí)，通過降低結(jié)構(gòu)面力學(xué)指標(biāo)來實(shí)現(xiàn)，分別對邊坡在重力作用下的靜力失穩(wěn)和受地震擾動(dòng)下的動(dòng)力失穩(wěn)進(jìn)行模擬計(jì)算分析，其中動(dòng)力穩(wěn)定性分析選取峰值加速度為0.20g的簡諧橫波作為地震動(dòng)荷載從模型底部輸入，同時(shí)在邊坡模型左右側(cè)面和底部設(shè)置粘滯邊界，采用局部阻尼，局部阻尼系數(shù)取0.157。

3 破碎巖體邊坡靜力失穩(wěn)與動(dòng)力失穩(wěn)

通過分析破碎巖體邊坡在重力作用及動(dòng)力作用下的數(shù)值模擬結(jié)果，對比破碎巖體邊坡靜力失穩(wěn)與動(dòng)力失穩(wěn)的差異。

3.1 邊坡位移

破碎巖體邊坡動(dòng)力失穩(wěn)方式與靜力失穩(wěn)存在明顯差異。由于對輸入地震波存在垂直向的放大作用，破碎巖體邊坡動(dòng)力失穩(wěn)時(shí)，破壞深度及范圍自坡底至坡頂不斷擴(kuò)大，邊坡頂部位移值較大；同時(shí)整體位移要大于靜力失穩(wěn)。由于本部分邊坡模型破碎巖體規(guī)模及破碎程度較大，導(dǎo)致重力作用下破碎巖體邊坡發(fā)生類似均質(zhì)土坡的近似圓弧形滑移，也表明對于規(guī)模較大的破碎巖體邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，可采用圓弧形滑面，與GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中相關(guān)說法一致[6]；同時(shí)，邊坡淺層局部小范圍內(nèi)位移較大。見圖2。

圖2 邊坡位移云圖

破碎巖體邊坡靜力失穩(wěn)時(shí)，位移方向自坡頂至坡腳由斜向下逐漸變化為斜向上。針對上述情況，主要考慮重力作用下破碎巖體邊坡自坡底至坡頂發(fā)生剪切滑移失穩(wěn)，具體表現(xiàn)為邊坡潛在滑移面上抗剪強(qiáng)度不足以抵抗坡體下滑力，同時(shí)坡體下滑力不斷傳遞至坡腳附近，導(dǎo)致邊坡在坡腳附近率先發(fā)生破壞而剪出，而后隨著坡腳巖體不斷向坡外滑移，牽引上部巖體不斷向下滑塌，最終自坡底至坡頂發(fā)展出貫通滑裂面，導(dǎo)致邊坡發(fā)生整體滑移失穩(wěn)；結(jié)合圖2分析可以得出，破碎巖體邊坡靜力失穩(wěn)主要以整體剪切滑移失穩(wěn)為主，邊坡淺表層局部存在崩塌、掉塊現(xiàn)象。破碎巖體邊坡動(dòng)力失穩(wěn)時(shí)，邊坡巖體位移方向整體近似水平，主要考慮地震波傳遞過程在坡體中產(chǎn)生地震慣性力，將巖塊拉離坡體，由于巖體結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度較低，在地震拉力作用下極易發(fā)生失穩(wěn)；破碎巖體邊坡發(fā)生動(dòng)力失穩(wěn)時(shí)，巖塊被拋射速度大、飛落距離遠(yuǎn)、破壞體的運(yùn)動(dòng)性更強(qiáng)，主要以地震作用產(chǎn)生的拉應(yīng)力導(dǎo)致的巖體崩塌、拋落現(xiàn)象為主且以坡肩附近尤為劇烈。見圖3。

圖3 邊坡位移矢量圖

3.2 邊坡巖體結(jié)構(gòu)面開裂情況

破碎巖體邊坡靜力失穩(wěn)時(shí)，結(jié)構(gòu)面開裂和貫通區(qū)域主要在坡面一定深度范圍內(nèi)和坡頂，與失穩(wěn)滑移區(qū)域分布基本一致。破碎巖體邊坡動(dòng)力失穩(wěn)時(shí)，坡體結(jié)構(gòu)面開裂與貫通程度要遠(yuǎn)大于靜力失穩(wěn)。見圖4。

圖4 邊坡巖體結(jié)構(gòu)面開裂情況

圖4 中，動(dòng)力失穩(wěn)紅色虛線為震后坡型，可以看出邊坡巖體在地震作用后坡體體積增大，主要考慮巖塊之間鑲嵌咬合程度下降，緊密性被破壞。

4 結(jié)論

1）對于規(guī)模和破碎程度較大的破碎巖體邊坡，其靜力失穩(wěn)主要表現(xiàn)為剪切作用誘使的整體圓弧滑移，局部伴有坍塌、掉塊現(xiàn)象。

2）破碎巖土邊坡動(dòng)力失穩(wěn)主要表現(xiàn)為地震作用產(chǎn)生的拉力造成的巖體崩塌、拋射現(xiàn)象。

3）對比兩種失穩(wěn)破壞，動(dòng)力作用下巖體變形破壞運(yùn)動(dòng)性明顯更強(qiáng)，失穩(wěn)位移更大。破碎巖體邊坡動(dòng)力破壞方式與動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律有關(guān)，整體表現(xiàn)為自坡腳至坡頂失穩(wěn)范圍、位移值不斷擴(kuò)大，同時(shí)地震擾動(dòng)導(dǎo)致巖塊間鑲嵌咬合程度下降，結(jié)構(gòu)面開裂貫通劇烈，坡體體積略有增加。