地震作用下不同風化程度時邊坡響應分析

周列茅

(溫州交通投資集團有限公司，浙江 溫州 325000)

我國是一個地震頻繁的國家，根據(jù)《中國地震目錄》及《中國地震年鑒》的記載，僅公元前780～公元1992年，我國境內共發(fā)生M≥4.7級的中、強烈地震已達5 142次以上，地震觸發(fā)的滑坡數(shù)以千計。大量的歷史地震資料表明，在地震烈度達到Ⅶ度時就可產(chǎn)生崩滑地質災害。研究發(fā)現(xiàn)，過去我國大量巖土邊坡地震崩塌與滑動主要發(fā)生在多震的西部地區(qū)，其中發(fā)生邊坡地震崩滑最多的為四川和云南兩省。每次地震后基本都有山崩、滑坡等次生災害發(fā)生。其中1974年5月11日的云南省永善—大關地震造成大量的山體崩滑，阻塞江河，交通阻塞20余天，破壞水田500余頃，耕地4萬畝。再次，2008年發(fā)生的汶川大地震造成的山體滑坡、崩塌等地質災害更是前所未見[1]。

地震引起的邊坡崩塌和滑動等次生災害，會給人類帶來巨大的危害。我國許多大型的重要工程又位于高烈度區(qū)，這些地區(qū)山高坡陡，地震作用下邊坡變形和破壞演化直接關系到邊坡的地震穩(wěn)定性，這使得研究邊坡地震動力響應問題變得尤為重要。如何正確、客觀地評價地震對巖土體的影響一直是巖土工程界所關注的問題。

一般而言，邊坡在其形成過程中由表及里均覆蓋有不同風化程度的風化巖層，其表面亦絕大多數(shù)均覆蓋有一定厚度的殘坡積體。而目前國內外針對地震作用下不同風化程度的邊坡動力響應特征研究并不多見，在不同風化巖體覆蓋條件下邊坡究竟表現(xiàn)出何種形態(tài)特點有待于進一步研究。有鑒于此，本文采用數(shù)值模擬手段針對該問題進行探討分析，以期探明地震作用下不同風化程度時邊坡動力響應規(guī)律，供設計施工參考。

1 數(shù)值分析中關鍵問題的處理

1.1 計算方法的選取

地震作用下邊坡動力響應分析的研究方法，歸納起來有以下四類:擬靜力法、滑塊分析法、試驗方法和數(shù)值分析方法[2]。其中，數(shù)值分析方法是邊坡動力穩(wěn)定性研究中一類十分重要的方法，很早就被用于邊坡動力分析。在各類數(shù)值分析方法當中，有限元法具有突出的優(yōu)點，它適用于復雜的介質條件和復雜的地形條件下巖土動力問題，可以直接求得邊坡關鍵部位在地震波作用下應力、應變、位移、速度和加速度等關鍵量的變化過程，因而得到了廣泛的應用。在有限元法分析過程中，采用最廣泛的是時程分析法，該法相對于反應譜法而言，能反映地震作用下的邊坡反應過程，在各種主要工程設計規(guī)范中已明確規(guī)定必須使用加速度時程曲線進行動力反應分析[3]。

時程分析法是地震過程中體系反應隨時間變化過程——時間歷程的分析方法，又稱“直接動力法”，數(shù)學上亦稱“步步積分法”。直接由體系的運動方程出發(fā)，自地震發(fā)生的起始狀態(tài)開始，一步一步地積分求解，直至地震終了，可獲得體系在地層中從靜止到振動、構件完好到損壞乃至倒塌的最終狀態(tài)的全過程。即時程分析是將地震波作為地震輸入，水平的地面運動加速度波形表示水平地震輸入，豎向地面運動加速度波形表示豎向地震輸入，然后通過運動方程的積分求出地震持續(xù)時間內體系的內力和變形隨時間的變化過程。因此，時程分析法可以跟蹤體系在地震時的整個反應過程，并能適用于體系的彈塑性地震分析[4-5]。

有鑒于此，本文針對地震作用下不同風化程度的邊坡響應問題采用時程分析法進行深入研究。

1.2 地震波的選取

根據(jù)現(xiàn)今資料，目前動力分析中輸入的地震加速度波主要為實測地震波和人工合成波，而實測波中以ELcentro波應用最為廣泛[4]，因此，本次計算時選取該地震波作為動力加速度輸入(如圖1)。

圖1 地震加速度時程曲線

2 地震作用下不同風化程度邊坡動力響應分析

2.1 計算方案及模型的確定

考慮到地震作用下邊坡形態(tài)各異時動力響應規(guī)律迥異，本次分析時選擇較為不利的兩種坡面形式——單面坡及孤立邊坡進行研究。模型建立時考慮具有普遍代表性等因素，選取坡高為40 m左右，針對上述坡型假定不同的風化程度(圖2)，以此來考察巖體在不同風化條件下地震作用時的響應特征。計算中施加水平方向的地震加速度，地震烈度取為Ⅸ度。關于材料參數(shù)的取值，本次分析依據(jù)不同的風化程度，依次降低巖體的彈性模量，且兼顧到計算中能較為明顯地體現(xiàn)巖體風化帶來的卸荷效應，相鄰風化程度間彈模假定相差一個數(shù)量級，見表1?？紤]到分析中重點為探討邊坡動力響應規(guī)律，計算時采用彈性分析手段，因此，本次材料參數(shù)表中未列出不同風化程度下內摩擦角及黏聚力值。

表1 不同風化程度下材料參數(shù)的取值

2.2 單面坡不同風化程度時的受力分析

根據(jù)計算結果，獲取了最不利工況時地震作用下單面坡坡頂加速度時程曲線及分量云圖(見圖3)。

圖2 計算模型

圖3 坡頂水平加速度時程曲線及云圖

1)在水平地震荷載作用下，水平位移分布總體上呈現(xiàn)由表及里逐漸減小的趨勢，也即由全、強風化層向弱—微風化層逐漸減小，即圍巖性狀越好，地震作用下位移響應特征越小。位移最大值并非出現(xiàn)在施加加速度值最大的時刻，位移的變化略滯后于輸入地震波加速度。

2)加速度響應分析:由圖3給出的坡頂節(jié)點加速度響應時程曲線可知，此種邊坡條件下加速度響應規(guī)律基本同位移時程反應出的特性一致。且加速度響應與輸入地震波加速度具有同步性，波形相同，但幅值不同。從量值上看，加速度時程最大值為7.86 m/s2，放大系數(shù)約為1.97。

3)剪應力響應分析:剪應力的變化基本與施加的地震加速度同步，但隨著地震加速度的輸入，邊坡坡腳位置應力響應最為劇烈，應力集中明顯。但在各風化層交界面處，剪應力也呈現(xiàn)明顯集中現(xiàn)象，此處為邊坡的薄弱環(huán)節(jié)。

4)通過對比直線型坡不同風化層及均質巖體條件下邊坡位移及應力分布云圖來看，當巖體出現(xiàn)不同程度的風化時，在地震作用下的剪應力及主應力分布特征較之均質巖體出現(xiàn)明顯不同:當巖體均質時，地震作用下，位移及應力云圖分布呈現(xiàn)明顯的成層性，且量值的分布具有一定的規(guī)律性[6-7]。隨著巖體的逐漸風化，這種分布規(guī)律出現(xiàn)了變化，主要表現(xiàn)在位移及應力云圖不再出現(xiàn)明顯的分層特征，在不同風化層的交接面上，應力分布出現(xiàn)相互疊交現(xiàn)象，較之均質巖體地震作用下的應力云圖分布顯得雜亂。且隨著風化程度的逐漸減弱，各風化層面上的剪應力及主應力量值逐漸增大，究其原因，主要是由于巖體卸荷導致應力釋放程度不一致所致。

2.3 孤立邊坡不同風化程度時的受力分析

根據(jù)計算結果，同時獲取了最不利工況時地震作用下孤立邊坡各分量的時程曲線圖及云圖。考慮到各分量時程曲線與前述單面坡基本一致，故本次分析中未再列出，僅列出最不利工況條件下剪應力云圖，見圖4。

圖4 剪應力云圖 (單位:Pa)

1)從地震作用下孤立邊坡的各分量響應特征來看，表現(xiàn)出與單面坡相同的特征，即位移由表及里逐漸增大。弱—微風化巖層對地震敏感程度相對較低，不同風化層分界面上剪應力分布較大，為地震中可能存在的薄弱地帶，易于產(chǎn)生破壞。

2)對比相同地震條件下單面坡及孤立邊坡的動力響應特征可知，各因素基本相同時，孤立邊坡的位移、應力量值明顯大于單面坡，處于更為不利的狀態(tài)。

3)通過對比均質巖體和不同風化程度條件下孤立邊坡在地震作用時的邊坡響應特征可知:表現(xiàn)出與單面坡不同風化程度下相同的變化特征，剪應力云圖的分布隨著巖體風化的出現(xiàn)而呈現(xiàn)出相互侵入交疊現(xiàn)象。這與均質巖體的剪應力成層分布具有很大不同，主應力的分布也隨著不同風化巖體的出現(xiàn)呈現(xiàn)出較大變化，由均質狀態(tài)下主應力云圖分布較為單一而轉變?yōu)殡S著風化程度的不同出現(xiàn)不同主應力分布情況。應力量值上隨著風化程度的逐漸減弱，各風化層面上的剪應力及主應力量值逐漸增大。

3 結語

通過對不同風化層覆蓋條件下邊坡地震動力響應規(guī)律分析可知，由于風化層中巖體卸荷程度不一致，在地震作用下的剪應力及主應力分布特征較之均質巖體出現(xiàn)明顯不同。位移及應力云圖不再出現(xiàn)明顯的分層特征，應力分布出現(xiàn)相互疊交現(xiàn)象，隨著風化程度的逐漸減弱，各風化層面上的剪應力及主應力量值逐漸增大。相對于單面坡而言，孤立邊坡的位移、應力量值明顯大于單面坡，處于更為不利的狀態(tài)。

[1]王環(huán)玲，徐衛(wèi)亞.高烈度區(qū)水電工程巖石高邊坡三維地震動力響應分析[J].巖石力學與工程學報，2005，24(增 2):5890-5895.

[2]梁力，王偉，李明.某露天礦巖質高邊坡地震動力響應及穩(wěn)定性分析[J].金屬礦山，2008(8):21-25.

[3]劉紅帥，薄景山，劉德東.巖土邊坡地震穩(wěn)定性評價方法研究進展[J].防災科技學院學報，2007(9):20-26.

[4]劉紅帥.巖質邊坡地震穩(wěn)定性分析方法研究[D].哈爾濱:中國地震局工程力學研究所博士論文，2006.

[5]李育樞，高廣運，李天斌.偏壓隧道洞口邊坡地震動力反應及穩(wěn)定性分析[J].地下空間與工程學報，2006(10):738-743.

[6]閔衛(wèi)鯨，張炳坤，李磊，等.汶川地震中高路堤的抗震響應分析[J].鐵道建筑，2010(12):66-69.

[7]黃潤秋.汶川地震地質災害研究[M].北京:科學出版社，2009.