软硬互层斜坡对比分析——以汶川地震中干磨坊和水磨沟滑坡为原型

原标题：

基于离散元技术的软硬互层斜坡动力响应及失稳机理研究

摘 要：

为研究不同岩层倾角陡倾顺层软硬互层斜坡在地震作用下的动力响应及失稳机理,以汶川地震中干磨坊滑坡和水磨沟滑坡为原型,结合三维离散元技术开展两种软硬互层斜坡对比分析。动力响应分析结果表明:在相同地震荷载作用下,陡倾软硬互层60°斜坡模型的PGA(峰值地面加速度)放大系数随着高程的增加表现出非线性增长,在坡顶动力响应最为强烈;陡倾软硬互层80°斜坡模型PGA放大系数随着高程的增加表现出先增大后减小再增大的节律性变化,在坡高1/3处和坡肩部位动力响应最为强烈。失稳机理分析结果显示,在地震荷载作用下:陡倾软硬互层60°斜坡模型发生滑移-弯曲式溃滑,斜坡的破坏流程机制分为四个阶段,即①裂缝扩展-层间错动阶段、②坡脚岩体弯曲隆起阶段、③上部岩体横向滑移阶段、④弯曲剪断-整体失稳阶段;陡倾软硬互层80°斜坡模型发生滑移-下部弯曲-上部倾倒式破坏,斜坡的破坏流程机制分为四个阶段,即①微裂隙扩展阶段、②层间错动-局部裂隙贯通阶段、③下部岩体弯曲阶段、④上部岩体倾倒破坏阶段。

关键词：

汶川地震; 陡倾顺层软硬互层斜坡; 三维离散元; 动力响应; 失稳机理;

李龙起(1986—),男,副教授,博士,研究方向为边坡工程学。E-mail:287820171@qq.com;

基金：

国家自然科学基金资助(41372306,41502299);

成都理工大学青年骨干计划(KYGG201720);

引用：

李龙起，张帅，何川，等 . 基于离散元技术的软硬互层斜坡动力响应及失稳机理研究［J］. 水利水电技术，2020，51(4):203-211.

LI Longqi，ZHANG Shuai，HE Chuan，et al. Discrete element technique-based study on dynamic response and instability mechanism of soft and hard interbedded slope［J］. Water Resources and Hydropower Engineering，2020，51(4): 203-211.

0 引 言

顺层岩质边坡是指岩层倾斜方向与层状基岩倾向接近或大体一致的边坡。在地震荷载作用下,顺层边坡的动力响应及破坏机理远比天然工况下复杂得多。近些年,地震引发的顺层岩质边坡失稳灾害时有发生,给当地交通运营及人民生命财产安全造成重大损失。对此,国内外学者对顺层边坡在地震条件下的失稳机理及动力响应进行了大量研究。张倬元等详细阐述了顺层岩质斜坡的形成条件、演化过程、启动机制与判据,并总结其破坏模式分为滑移-拉裂,滑移-压致拉裂,滑移-弯曲等。李安洪等通过调查大量顺层斜坡,总结了顺层岩质路堑边坡的8种破坏模式,并对滑移-拉裂和滑移-弯曲两类破坏模式的稳定性分析方法进行讨论。黄润秋等通过对地震触发滑坡的成因机理研究提出了对汶川地震触发滑坡成因机制的分类体系,认为硬岩顺层斜坡在强震作用下表现为顺层滑移-下部隆起“屈曲”失稳,而软岩顺层斜坡表现为顺层滑移型失稳。祁生文等提出陡倾外层状斜坡受层面的控制,在地震荷载作用下可能发生沿优势层面的滑动。董金玉等通过大型振动台试验发现陡倾顺层斜坡的破坏模式为地震诱发-坡肩拉裂张开-坡面中部出现裂缝贯通-发生高位滑坡-转化为碎屑流-堆积坡脚。李祥龙等通过物理模拟离心机动力试验,探究边坡的动力响应和破坏机制以及非连续层面和次级节理对其的影响。曹琰波等采用离散元数值模拟技术探明唐家山滑坡变形破坏过程,并发现斜坡表层部分块体发生临空抛射现象。胡卸文等得出中陡倾外层状岩质边坡在强震作用下动力失稳机制为拉裂-楔劈-滑移-剪断,并针对拉裂缝形成机制、“楔劈”岩块的杠杆作用和碎屑岩块的滚动摩擦效应进行了讨论。任光明等根据大量的现场调查资料,结合UDEC数值模拟软件计算发现陡倾顺层边坡在最大主应力、水及地震作用下存在倾倒变形破坏模式。艾畅通过构造顺层岩质边坡物理力学模型,以探究近场地震对原型边坡的变形破坏模式的影响,得出顺层岩质边坡在地震作用下的破坏方式为节理岩体间的层间滑动,破坏模式为应力波所引发的滑移—拉裂破坏。贾俊针对崩滑破坏形成机制进行了研究,研究表明陡倾顺层岩质边坡变形破坏模式以崩滑结合的复合破坏模式为主。罗刚等提出强震作用下顺层岩质斜坡动力失稳机制为拉裂-楔劈-滑移-剪断,并着重阐述了拉裂面形成机制、“楔劈”岩块的杠杆作用和碎屑岩块的滚动摩擦效应。

1 研究工点地质概况

1.1 干磨坊滑坡

干磨坊滑坡位于四川省安县境内,为中等切割中山地貌[见图1(a)]。滑坡高程在960～1 200 m,坡体走向NE-SW,坡度平均42°,层面倾角53°。滑坡呈“三角锥”状,长约60 m、宽约40 m,厚度1～25 m,滑坡方量约1.1×105 m3。滑坡区地表以滑坡堆积物(Q4del)和全新统崩坡积物(Q4col+dl)为主,基岩以灰黑色层状硅质页岩夹板岩的邱家河组(∈1)地层为主。干磨坊滑坡地质剖面如图1(b)所示。

研究区内经过千佛山断层和F2中央断层两条长大断裂带,后者是汶川地震的主要发震构造单元[见图1(c)]。由于滑坡体三面临空且位于河谷和山脊陡缓交接部位,易受到地震动力作用的影响。滑坡体边界清晰,结构较为松散,后缘堆积大量块石。由于前缘锁固段的影响,坡体前缘产生弯曲变形并形成一个较大的平台。最终,前缘锁固段失效,滑体在坡脚附近剪出。

1.2 水磨沟滑坡

水磨沟滑坡位于汶川县岷江左岸,属中山地貌。坡表植被稀疏,临空条件较好,原始斜坡坡度约50°[见图1(d)]。滑坡相对河谷高差200～240 m左右,平面上呈矩形,坡体长×宽=50 m×100 m,厚度约1～30 m,滑坡方量约6.0×104 m3。滑坡区坡表覆盖层为第四系残坡积物(Q4el+dl)。基岩出露的地层主要为震旦系、泥盆系,地层结构为软硬岩互层,硬岩以黄褐色硅质板岩为主;软岩以深灰色炭质、硅质页岩为主。坡体风化程度较低,岩体结构较为破碎。水磨沟滑坡地质剖面如图1(e)所示。

图1 研究工点地质基本概况

滑坡区域内经过茂汶断裂带和北川-映秀断裂带。其中对水磨沟滑坡影响较大的是贯穿于整个龙门山中部的F2中央断裂。滑坡区域地质构造如图1(f)所示。在强烈地震力的作用下,坡体后缘拉张裂隙与坡体内部软弱结构面贯通,坡体向下滑移。由于岩层倾角大于坡角,潜在滑动面未临空而抑制坡体继续滑动,导致坡脚附近岩体发生弯曲变形。最终,坡体向临空面产生倾倒变形破坏。

2 三维离散元数值模拟

2.1 模型概化

通过对比干磨坊滑坡和水磨沟滑坡的坡体结构和破坏特征发现:两滑坡均为陡倾顺层软硬互层岩质斜坡,但干磨坊滑坡岩层倾角同坡角一致,水磨沟滑坡岩层倾角大于坡角,两者破坏特征存在明显差异。根据上述两个典型地质原型抽象概化出坡角均为60°,岩层倾角分别为60°(M1)和80°(M2)的陡倾顺层软硬互层斜坡模型,并在坡表及1/2坡高处等间距设置监测点,以探究坡体在振动荷载作用下,力学响应情况与坡高及坡表距的关系(见图2)。模型总高度130 m,基底长180 m,高10 m;斜坡宽60 m,高120 m。

图2 滑坡工点概化模型剖面布置(单位:m)

2.2 本构模型及岩体参数的选取

根据两工点相关现场资料及室内物理力学试验数据,结合工程地质手册选用合理的计算参数。其中,岩体采用莫尔-库伦弹塑性本构模型,节理间采用库仑滑动本构模型。相关参数如表1、表2所列。

表1 岩层的物理力学参数

表2 结构面的物理力学参数

2.3 边界条件

本次模型动力计算在模型两侧施加自由场边界以模拟实际坡体的无限场地效果,模型底部约束采用粘滞边界以吸收地震动力波(见图3)。同时,通过局部阻尼来消除振动过程中产生的动能,并最终设置局部阻尼系数为0.12。

图3 地震波输入与动力边界示意

2.4 加载方式

本次数值模拟计算以在汶川地震中截取的60 s中强波段作为输入地震波。对输入波进行滤波和基线校正以确保其满足震动结束时瞬态位移为零,并根据加载需要将幅值调整为0.1g和0.2g,最后以速度波的形式施加在概化模型底部边界。输入波如图4所示。

3 力学响应分析

3.1 坡体加速度响应分析

3.1.1 不同坡体对同一加速度响应分析

图5为两种坡体结构不同位置处PGA分布规律图。在加载峰值加速度为0.2g时,岩层倾角60°(M1)坡体与岩层倾角80°(M2)坡体的坡表加速度放大系数均呈现为随高程先增后减的趋势,但最大值出现的位置存在差异:分别在坡表3/4处和坡表中下部。在同一水平位置处,M1坡体PGA放大系数随坡表距增加先增后减,B3监测点出现极大值;M2坡体的PGA放大系数持续减小。

3.1.2 不同坡体对不同地震峰值加速度响应分析

图6、图7为两种坡体结构不同位置处PGA分布。就M1坡体而言,在不同地震峰值加速度作用下,坡表PGA放大系数均随高程先增后减,但峰值加速度为0.2g时,坡表PGA放大系数明显高于0.1g峰值加速度下PGA放大系数。在坡体中部同一水平高度处,PGA放大系数均出现极大值,且该极大值随加速度峰值增大而增大。对于M2坡体,不同地震加速度峰值作用下坡表PGA放大系数最大值均出现在坡体中-下部,但峰值加速度为0.1g时,坡体中部PGA放大系数变化幅度较大。坡体中部同一水平高度,随着坡表距增加,PGA放大系数在一定范围先保持不变然后减小。

3.2 坡体加速度谱响应分析

图8为M1坡体结构在不同地震荷载作用下关键部位地震波频谱对比。由图8可知,在0.2g地震荷载下,坡脚处幅值明显比其他荷载下的幅值大,即坡脚附近可能出现破坏。而坡顶附近的主频峰值逐渐转变为多峰型,表明坡表上部岩体在地震荷载为0.2g时可能出现了显著的破坏面。

图4 数值模拟计算的输入地震波

图5 动力响应加速度放大系数曲线

图6 M1坡体PGA分布

图7 M2坡体PGA分布

图8 M1坡体在不同地震荷载下关键部位频谱

图9为M2坡体结构在不同地震荷载作用下关键部位地震波频谱对比。由图9可知,斜坡坡脚在0.2g地震荷载下,坡脚的频谱与输入地震波频率相差不大,与斜坡在其他荷载下的频谱图也相近,即坡脚附近岩体在前期已出现明显的裂隙。而在坡顶附近主频为19 Hz时,幅值明显升高,表明斜坡上部岩体在地震荷载为0.2g时可能出现了明显破坏。

3.3 M1坡体动力失稳模式研究

结合M1坡体PGA放大系数、加速度谱响应及变形破坏过程(见图10),得出在地震荷载作用下,M1坡体结构的破坏机制为滑移-弯曲式溃滑,坡体失稳具体过程如下。

裂缝扩展-层间错动阶段:如图10(a)所示,在地震荷载作用初期,坡体岩层间的微观裂缝不断扩展,局部裂缝贯通,加之各岩层内部岩体物理力学性质存在明显差异,致使各岩层在地震力和重力的双重作用下产生不均匀滑动现象,同时坡顶产生一系列的拉裂缝。

坡脚岩体弯曲隆起阶段:如图10(b)所示,随着地震作用的增强,坡体顶部的岩土体力学性质进一步被削弱,顶部张拉裂隙数量增加并沿层面不断扩张,使得坡体顶部岩体破碎,同时坡脚处岩体累积位移量进一步加大。但因坡脚附近岩层的锁固作用,坡体滑移变形受阻并向临空面方向产生弯曲变形。

图9 M2坡体在不同地震荷载下关键部位频谱

图10 M1坡体结构地震破坏中对应的斜坡运动状态

图11 M2坡体结构地震破坏对应的斜坡运动状态

上部岩体横向滑移阶段:如图10(c)所示,在持续地震荷载作用下,坡体上部岩层裂隙进一步扩张、贯通,但受制于坡脚附近岩层的锁固作用,岩体无法沿潜在破坏面快速滑移,部分岩体向临空面方向剪断并移动,特别是距坡脚3/4坡高范围内的岩体横向位移最大。与此同时,坡脚附近岩体弯曲变形程度进一步加深。

弯曲剪断-整体失稳阶段:如图10(d)所示,在最终地震荷载作用下,坡体内部形成整体贯通的滑移面,上部岩体完全作用于坡脚锁固段,致使岩层弯曲部位被剪断,整个坡体失稳。

3.4 M2坡体动力失稳模式研究

结合M2坡体PGA放大系数、加速度谱响应及变形破坏过程(见图11),得出在地震作用下,M2坡体结构的破坏机制为拉裂滑移-下部弯曲-上部倾倒型。坡体失稳具体过程如下。

微裂隙扩展阶段:在地震荷载作用初期,坡体表面不断出现新的裂缝,坡体内部裂隙不断扩展,致使整个坡体结构变得松散。

层间错动-局部裂隙贯通阶段:如图11(b)所示,在地震荷载进一步作用下,坡顶岩层出现拉裂缝,坡体内部岩层间裂缝不断扩张变宽。岩层间作用力减小,各岩层在重力和地震力作用下出现不均匀沉降。坡表部分岩体沿软弱结构面剪出,脱离坡体,堆积于坡脚。

下部岩体弯曲阶段:如图11(c)所示,随着地震荷载的增强,坡表附近岩层内大量软岩被破坏,斜坡岩土体向下滑移。但由于岩层倾角大于坡脚,潜在滑移面未临空,使坡体下滑受阻,坡脚附近岩层承受纵向压应力,并向临空方向弯曲变形。随着坡体不断的弯曲变形,岩层间由内向外扩展出垂直于坡面的拉张裂缝。

上部岩体倾倒破坏阶段:如图11(d)所示,在最终地震荷载作用下,坡体中上部大量岩体沿软弱结构面向临空方向剪断,发生倾倒破坏。由于坡脚附近锁固段未发生剪断破坏,坡体内部潜在滑动面未能贯通,故整个坡体未发生大规模整体性滑动。

4 结 论

在总结两个滑坡区域工程地质条件及动力破坏特征后,抽象概化模型,结合三维离散元技术,探究不同坡体结构的陡倾顺层软硬互层斜坡在地震作用下的动力响应及失稳机理,主要得出以下结论:

(1)陡倾软硬互层60°(M1)斜坡模型表面随着高程的增加,PGA放大系数总体表现出非线性增加,在坡顶动力响应最为强烈;陡倾软硬互层80°(M2)斜坡模型表面随着高程的增加,PGA放大系数总体表现出先增大后减小再增大的节律性变化,在坡高1/3处和坡肩部位动力响应最为强烈。在同一水平高度下,距离坡表越近加速度放大系数越大。

(2)在地震作用下,陡倾软硬互层60°(M1)斜坡的破坏流程机制分为四个阶段,即①裂缝扩展-层间错动阶段、②坡脚岩体弯曲隆起阶段、③上部岩体横向滑移阶段、④弯曲剪断-整体失稳阶段;陡倾软硬互层80°(M2)斜坡的破坏流程机制分为四个阶段,即①微裂隙扩展阶段,②层间错动-局部裂隙贯通阶段,③下部岩体弯曲阶段,④上部岩体倾倒破坏阶段。

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