横竖向地震动对滑体运动特性的影响_罗平杰.pdf

：横竖向地震动对滑体运动特性的影响罗平杰（中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 ）摘要：采用非连续变形分析（）方法，模拟边坡在横竖向地震动作用下的灾变过程，得出以下结论：（）通过 方法可以有效模拟地震边坡灾变过程，获得的滑坡状态、堆积体形状、滑动速度和距离等重要信息对边坡支护设计及治理具有重大意义；（）地震记录中，在竖向地震动作用下边坡保持稳定，无明显失稳现象；横向地震动作用下边坡失稳现象明显，其破坏程度远大于双向地震动和竖向地震动。关键词：地震边坡；非连续变形分析；运动特性；横竖向地震动 （，）：（），：（），；（），：；收稿日期：作者简介：罗平杰（），工程师 ：地震滑坡是指由于地面震动，地质体沿斜坡移动一定距离的现象。地震滑坡因其分布广、数量多、危害大，是山区地震造成的最重要的地质灾害之一，在中国和世界范围内造成了房屋、道路、桥梁的破坏，人员伤亡，经济和财产巨大损失，。地震以波的形式呈圆形状向四周传播，分为横波和纵波。通常情况下，纵波的传播速率大于横波，更早达到地面和建筑物结构，但其对结构的破坏并不会因此而大于横波。研究表明，横波和纵波对结构的影响程度和破坏机理不尽相同，。因此，开展考虑不同方向地震动边坡灾变数值模拟，获得地震边坡灾变过程信息，对于滑坡灾害的风险评估和防护措施设计具有重要的实际意义。目前，国内外学者常采用理论研究、数值模拟、模型试验和现场检测等方法开展地震边坡稳定性相关研究。其中数值模拟方法包括有限元法、离散元法以及有限差分法等。研究表明，地震作用造成的岩体结构破坏会对边坡稳定性造成不利影响。为考虑节理裂隙发育对边坡稳定性的影响，并直观展示失稳边坡破碎岩体运动过程，采用非连续变形分析（）方法，输入 地震记录中的双向、横向和竖向三类地震动，模拟边坡在地震作用下的灾变过程，获取边坡在三类地震动作用下的破坏规律，分析三类地震动对边坡灾变的影响程度。建材世界 年第 卷第期 方法概述 方法由美籍华人科学家石根华于 年提出，被广泛用于岩石工程数值模拟。其有效性和适用性已被国内外学者所证明。方法采用最小势能原理构建平衡方程，以块体单元的个位移变量作为联立方程式的未知数，以块体单元的接触和约束作求解系统。通过求解方程得到块体单元每一时步的小位移和小变形并进行累加，从而求得块体系统的大变形及大位移。块体单元之间通过添加约束弹簧的方式，防止块体单元之间相互侵入，严格满足“不嵌入、不张拉”的原则。对于包含个块体的系统，中控制平衡方程由块体系统本身的所有系数子矩阵和控制块体接触的相关子矩阵叠加构成，用矩阵形式表示为 式中，（，）表示对与速度、惯量、接触等相关的势能求导得到的刚度子矩阵；向量 为块体的个位移变量矩阵；向量 为块体上分配给个位移变量的荷载。模型建立模型建立与参数选择选取某岩质边坡为研究对象，建立数值模型如图所示。该边坡模型由基岩和滑坡体组成，其中基岩高度为 ，宽度为 ，与滑坡体存在一个滑裂面。对其进行网格划分，块体单元总体为 个。在边坡模型坡顶、坡体中部、坡脚布置测点，测点布置及网格划分结果如图所示。根据相关地质资料，滑坡断面的计算参数和模型控制参数如表所示。考虑到通过基岩作为基座释放地震波，通常的方法为将基岩的密度设置为极大，同时不考虑重力作用。表滑坡断面物理参数及控制参数项目滑坡体基岩项目数值密度（）单步允许最大位移率 泊松柏 时间步 弹性模量 弹簧刚度 粘聚力 时步数 摩擦角（）边界条件设置选取 数据库中编号为 的地震记录作为边坡的地震输入。工况分别为考虑双向地震动、仅横向地震动、仅竖向地震动。建材世界 年第 卷第期结果分析输入上述地震动，滑坡体灾变过程情况如图所示。图（）为考虑双向地震动时边坡截面运动全过程示意图。输入 时，滑坡体有整体向前滑动现象，边坡坡脚首先发生失稳，部分块体开始滑动。输入 时，坡脚失稳现象加剧，有大量块体从边坡坡脚开始滑落。输入 时，在坡底形成明显的堆积体，此时滑坡体上仅有少量的块体滑动。输入 时，此时已经进入滑坡运动末期，整个滑坡体无明显运动中的块体。堆积体大部分集中在基岩坡脚，块体最远运动距离为 。如图（）所示，相较于双向地震动，仅考虑横向地震动作用下，边坡破坏现象更为剧烈，有更高的腾空高度和更大面积的堆积体。块体最远运动距离为 。如图（）所示，在仅输入竖向地震动的情况下，边坡无整体滑动现象，截面形状保持完整。地震边坡截面坡顶、坡体中部、坡脚处在不同地震动下块体的速度时程图如图所示。坡顶块体速度时程图如图（）所示。在双向地震动作用下，坡顶块体在 左右达到速度峰值约为。在横向地震动作用下，坡顶块体在 左右达到速度峰值约为，同样在 左右降至为。而在竖向地震动作用下，坡顶块体的速度一直保持接近于。在中部和坡脚能观察到类似的规律。图（）中部块体在横向地震动作用下有最高峰值速度为。图（）坡脚块体在横向地震动作用下有最高峰值速度为。地震边坡截面坡顶、坡体中部、坡脚处在不同地震动下块体的位移时程图如图所示。坡顶块体位移时程图如图（）所示。在双向地震动作用下，左右时坡顶块体达到最大位移为。在横向地震动动用下，坡顶块体位移在 左右时达到最大位移为。而在竖向地震动下，坡顶块体无明显位移产生。在图（）和图（）中，依然是在横向地震动作用下，边坡中部和坡脚块体有最大位移分别为 和。建材世界 年第 卷第期综上所述，在竖向地震动作用下，边坡无明显破坏性现象，块体能达到的峰值速度和位移最小，并且会迅速降至为。而在横向地震动作用下，边坡破坏更为剧烈，边坡块体有更高的腾空高度、更大面积的堆积体、更高速度峰值和更远的运动距离。因此，可以说明在 地震记录中横向地震动在地震中发挥了主要作用。结论与讨论采用 方法，考虑双向、横向、竖向三种地震动工况，对边坡在地震作用下的灾变过程进行数值模拟，得出以下结论：方法可以有效模拟地震边坡灾变过程，直观展示出边坡失稳破坏状态，获得滑坡体量、堆积体形状、滑动速度和距离等重要数据，对失稳前的防护措施以及失稳后的灾害治理具有重大意义；从模拟结果可以看出，对于 地震记录而言，仅输入横向地震动，在三种工况中，滑坡体有最大面积的堆积体、最高的腾空高度、最快的运动速度和最远的运动距离。在开展振动台试验或室内边坡灾变模拟试验之前，可以开展基于 方法的地震边坡灾变数值模拟试验，充分把握试验细节。同时，提前对所输入地震动进行分析。如所输入的 地震动中横向地震动对边坡失稳的贡献明显大于竖向地震动，甚至相对于双向地震动破坏更为剧烈。但也有研究表明，竖向地震动对边坡稳定性影响更大。因此，有必要开展数值试验分析地震动特性，将对振动台试验和模型试验的设计、简化和结果预测更为有利。参考文献李忠生国内外地震滑坡灾害研究综述灾害学，（）：殷跃平汶川八级地震地质灾害研究工程地质学报，（）：，：，（）：卢坤林，朱大勇，杨扬 边坡失稳过程模型试验研究 岩土力学，（）：平曈其，罗先启，郑安兴 地震作用下裂隙对岩质边坡稳定性影响分析 岩土力学，（）：，（）：言志信，高乐，彭宁波，等 顺层岩质边坡地震动力响应研究 岩土力学，（）：建材世界 年第 卷第期