地震縱橫波時(shí)差作用對(duì)順層硬質(zhì)巖坡動(dòng)力響應(yīng)的影響研究

邵燕超，雷 用，文永逸

(后勤工程學(xué)院 土木工程系, 重慶 401311)

地震縱橫波時(shí)差作用對(duì)順層硬質(zhì)巖坡動(dòng)力響應(yīng)的影響研究

邵燕超，雷 用，文永逸

(后勤工程學(xué)院 土木工程系, 重慶 401311)

運(yùn)用有限差分軟件FLAC3D，討論了三維順層硬質(zhì)巖坡在不同時(shí)差工況下及不同巖層厚度條件下的動(dòng)力響應(yīng)特征，通過(guò)塑性區(qū)、位移云圖等的變化分析了其變形機(jī)制。結(jié)果表明：縱波的張拉作用會(huì)對(duì)巖土體強(qiáng)度產(chǎn)生削減效果，橫波的剪切作用是引起塑性區(qū)變化的關(guān)鍵因素；臨空面巖層的厚度是影響其動(dòng)力穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵因素。

順層巖質(zhì)邊坡；地震；時(shí)差作用；動(dòng)力響應(yīng)

地震是地殼運(yùn)動(dòng)中巖石長(zhǎng)期積累的內(nèi)能瞬間釋放的結(jié)果。強(qiáng)烈地震往往會(huì)伴隨著滑坡、崩塌等次生災(zāi)害，其造成的人員傷亡往往占總數(shù)的30%以上[1]。汶川大地震是建國(guó)以來(lái)最大的一次地震，造成了近萬(wàn)億元人民幣的經(jīng)濟(jì)損失[2]。2012年阿富汗發(fā)生強(qiáng)烈地震并引發(fā)滑坡，致使一村莊70人喪生[3]。

專家學(xué)者從模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論研究等角度，對(duì)地震荷載條件下順層巖坡的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了深入研究。徐光興[4]、董金玉[5]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)分析了地震動(dòng)參數(shù)對(duì)坡面放大效應(yīng)的影響；李鵬[6-7]運(yùn)用離散元軟件UDEC分別討論了動(dòng)力條件下不同因素對(duì)含軟弱夾層巖坡和陡傾巖坡地震波放大效應(yīng)的影響；黃潤(rùn)秋[8]從應(yīng)力場(chǎng)角度，分階段討論了西南地區(qū)高邊坡發(fā)育的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

相關(guān)研究表明，豎向與水平地震波加速度之比均值接近1.0[9]，而在以往的研究中，往往忽視了地震傳播過(guò)程中的縱波與橫波的時(shí)差影響。本文分析了3種不同時(shí)差工況下和3種不同巖層厚度邊坡的動(dòng)力穩(wěn)定性，具體的工況及邊坡模型設(shè)置見(jiàn)表1和表2。

表1 各工況下地震荷載情況

表2 不同巖層厚度的邊坡模型

1 硬質(zhì)順層巖坡模型

1.1 具體模型參數(shù)設(shè)置

模型為三維順層硬質(zhì)巖坡，寬度為50 m，剖面尺寸如圖1所示，各層巖體的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

圖1 風(fēng)化順層巖質(zhì)邊坡示意圖(單位:m)

巖層體積模量/GPa剪切模量/GPa密度/(kg·m-3)黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)抗拉強(qiáng)度/MPa13．041．6526000．07526．00．125．563．662650336．51．5310．707．3827001554．52．5

1.2 動(dòng)力邊界的設(shè)置及荷載的施加

本文采用有限差分軟件FLAC3D來(lái)分析地震作用下順層硬質(zhì)巖坡的動(dòng)力響應(yīng)機(jī)制。FLAC3D允許輸入4種類型的動(dòng)力荷載，由于巖體本身模量較大，因此可以直接輸入加速度荷載，巖體材料采用彈塑性本構(gòu)模型。本文采用的橫波峰值加速度為2.0 m/s2，持時(shí)10 s，加速度時(shí)程曲線如圖2所示。為了便于研究，地震縱波采用波形、持時(shí)與橫波相同，但峰值強(qiáng)度為其0.6倍的加速度時(shí)程[10]。

動(dòng)力分析時(shí)，為減少靜力邊界對(duì)地震波反射扭曲所造成的計(jì)算誤差，在模型的四周設(shè)置自由場(chǎng)邊界。巖體內(nèi)部的摩擦往往會(huì)產(chǎn)生較大的阻尼，F(xiàn)LAC3D的動(dòng)力分析模塊提供了3種阻尼形式，本文采用局部阻尼，局部阻尼系數(shù)為0.155[11]。

在地震波的傳播過(guò)程中，縱波波速較橫波快，二者存在時(shí)間差Δt

(1)

其中：r為坡體與震源的直線距離；Vs為橫波(S波)波速；Vp為縱波(P波)波速[12]。

為便于研究，忽略橫波與縱波長(zhǎng)距離傳遞時(shí)加速度分量之間的疊加效應(yīng)，僅考慮二者的時(shí)差效應(yīng)。

圖2 地震橫波加速度時(shí)程曲線

2 時(shí)差作用的動(dòng)力影響分析

選取較有代表性的中等厚度強(qiáng)風(fēng)化層邊坡模型(模型2)分析其動(dòng)力響應(yīng)特性，模型如圖3所示。

圖3 三維順層巖質(zhì)邊坡模型

2.1 工況1塑性區(qū)的變化

圖4為工況1下邊坡的塑性區(qū)變化，在1.7 s時(shí)強(qiáng)風(fēng)化層出現(xiàn)塑性區(qū)，并且大部分均為曾經(jīng)剪破壞，這表明在地震橫縱波的耦合作用下，強(qiáng)風(fēng)化層巖體在瞬間達(dá)到屈服強(qiáng)度后迅速回歸到彈性區(qū)。從地震加速度時(shí)程可以看到，在1.7 s時(shí)水平加速度約為1.2 m/s2，豎向加速度約為0.72 m/s2，同時(shí)達(dá)到峰值拐點(diǎn)；隨后邊坡的塑性區(qū)不斷沿層面向坡內(nèi)延伸，在5.4 s時(shí)邊坡強(qiáng)風(fēng)化層的塑性區(qū)達(dá)到最終形態(tài)，塑性區(qū)沿強(qiáng)風(fēng)化巖層層面貫通。

從圖5可以看出，在5.4 s時(shí)強(qiáng)風(fēng)化層面處的水平與豎向位移均發(fā)生突變，且塑性區(qū)沿層面貫通，因此可判斷邊坡已經(jīng)失穩(wěn)。

圖4 工況1條件下順層巖質(zhì)邊坡塑性區(qū)變化

2.2 工況2塑性區(qū)的變化

工況2條件下邊坡的塑性區(qū)變化如圖6所示，動(dòng)力計(jì)算的前2 s只有豎向加速度起作用，強(qiáng)風(fēng)化層并未出現(xiàn)塑性區(qū)；隨后橫波與縱波共同作用，3.7 s時(shí)(即水平加速度開(kāi)始作用的1.7 s)坡體出現(xiàn)塑性區(qū)，說(shuō)明水平加速度對(duì)硬質(zhì)巖坡的破壞起著決定性作用，但此時(shí)塑性區(qū)均為現(xiàn)在剪破壞；4.7 s時(shí)塑性區(qū)均轉(zhuǎn)為曾經(jīng)剪破壞并向內(nèi)延伸；隨后塑性區(qū)不斷發(fā)展，在7.4 s時(shí)達(dá)到最終狀態(tài)，塑性區(qū)并未完全貫通。從圖7中可以看出：強(qiáng)風(fēng)化層發(fā)生位移突變，但突變處位移較小，結(jié)合塑性區(qū)判斷，邊坡并未完全失穩(wěn)，但強(qiáng)風(fēng)化巖層產(chǎn)生一定永久變形。

圖5 5.4 s時(shí)位移云圖

圖6 工況2條件下順層巖質(zhì)邊坡塑性區(qū)分布

圖7 7.4 s時(shí)位移云圖

2.3 工況3塑性區(qū)的變化

從圖8可以看出，前4 s水平地震波尚未起作用，但豎向地震波已經(jīng)到達(dá)峰值強(qiáng)度，此時(shí)坡體未出現(xiàn)塑性區(qū)的變化；在5.7 s(即橫波到達(dá)后的1.7 s)，強(qiáng)風(fēng)化層開(kāi)始出現(xiàn)塑性區(qū)，說(shuō)明縱波的拉伸作用并不是塑性區(qū)產(chǎn)生的決定性因素；值得注意的是，在6.3～7.4 s，邊坡塑性區(qū)迅速擴(kuò)展。從圖9可以看出，在0～6 s區(qū)間內(nèi)，豎向加速度較大，且已經(jīng)達(dá)到峰值強(qiáng)度，說(shuō)明縱波的豎向張拉作用對(duì)巖體強(qiáng)度起到一定的削減作用；在9.6 s時(shí)塑性區(qū)達(dá)到最終形態(tài)。與工況1、工況2相比，工況3下邊坡塑性區(qū)沿坡面和層面都有進(jìn)一步的擴(kuò)展延伸。

圖8 工況3條件下順層巖質(zhì)邊坡塑性區(qū)分布

圖9 工況3條件下加速度時(shí)程曲線

3 巖層厚度對(duì)邊坡動(dòng)力特性的影響

對(duì)于存在臨空面的順層巖質(zhì)邊坡，巖層厚度直接影響失穩(wěn)時(shí)的破壞機(jī)理，決定潛在滑體的方量。前文已經(jīng)對(duì)模型2進(jìn)行了詳細(xì)的分析，下面分析模型1和模型3邊坡的動(dòng)力響應(yīng)特性。地震波采用工況3的加速度時(shí)程曲線。

3.1 模型1邊坡的動(dòng)力特性分析

模型1的強(qiáng)風(fēng)化區(qū)巖層較薄，在動(dòng)力荷載施加過(guò)程中塑性區(qū)并未產(chǎn)生過(guò)多的變化，僅在9.4 s時(shí)強(qiáng)風(fēng)化區(qū)的巖層臨空面處有少量塑性區(qū)產(chǎn)生，且邊坡并未發(fā)生位移突變，依然保持較強(qiáng)的整體性，塑性區(qū)和位移云圖見(jiàn)圖10和圖11。

圖10 9.4 s時(shí)模型1的塑性區(qū)

圖11 9.4 s時(shí)模型1的位移云圖

3.2 模型3邊坡的動(dòng)力特性分析

由表2可見(jiàn)，模型3的強(qiáng)風(fēng)化區(qū)層厚較大，體量較多；從圖12可以看出，在2.5 s時(shí)邊坡塑性區(qū)就已經(jīng)出現(xiàn)，此時(shí)橫波尚未開(kāi)始作用，而前述內(nèi)容中塑性區(qū)均出現(xiàn)在橫波作用之后，這說(shuō)明對(duì)臨空面巖層越厚，其對(duì)動(dòng)力荷載的敏感度越高；在5.6 s時(shí)邊坡塑性區(qū)進(jìn)一步發(fā)展，值得注意的是，5.6～5.8 s邊坡塑性區(qū)迅速向內(nèi)擴(kuò)展，在6.3 s時(shí)塑性區(qū)完全貫通。從圖13中可以看出，6.3 s時(shí)邊坡位移產(chǎn)生較大突變，說(shuō)明邊坡已經(jīng)失穩(wěn)。

圖12 模型3的塑性區(qū)分布變化

圖13 6.3 s時(shí)位移云圖

在工況3的動(dòng)力荷載下，就塑性區(qū)擴(kuò)展范圍而言，模型1<模型2<模型3；較薄(模型1)以及中等(模型2)厚度的風(fēng)化層的塑性區(qū)并未貫通，且?guī)r層厚度較薄時(shí)僅出現(xiàn)少量塑性區(qū)，位移也并未沿層面產(chǎn)生明顯突變；巖層較厚(模型3)時(shí)，由于風(fēng)化區(qū)的體量大，層間摩阻力難以維持上層強(qiáng)風(fēng)化區(qū)巖層的整體穩(wěn)定，邊坡塑性區(qū)會(huì)迅速擴(kuò)展并發(fā)生失穩(wěn)，這說(shuō)明臨空面潛在滑體的厚度是影響動(dòng)力條件下順層巖坡穩(wěn)定性的一個(gè)敏感因素。

4 結(jié)論

1) 邊坡塑性區(qū)大都在橫波開(kāi)始作用后出現(xiàn)，說(shuō)明水平地震波的剪切作用是巖質(zhì)邊坡產(chǎn)生塑性變形的主控因素；塑性區(qū)的狀態(tài)各有不同，時(shí)差越大，塑性區(qū)擴(kuò)展越多。

2) 地震橫縱波的波形、強(qiáng)度并無(wú)差異，但在3種時(shí)差工況下的塑性區(qū)變化截然不同，工況1的條件下，模型2邊坡在1.7 s達(dá)到屈服點(diǎn)后迅速回歸彈性區(qū)，而在工況2 和工況3的荷載條件下，邊坡在曾經(jīng)剪破壞狀態(tài)和現(xiàn)在剪破壞狀態(tài)均維持了一定的時(shí)間，說(shuō)明當(dāng)?shù)卣鸩ǖ目v波與橫波同時(shí)達(dá)到較大值時(shí)，邊坡更容易發(fā)生崩落或者突發(fā)性滑坡。

3) 對(duì)比工況1和工況2，工況3的條件下邊坡的最終塑性區(qū)有了進(jìn)一步擴(kuò)展，說(shuō)明地震縱波的張拉作用對(duì)巖土體強(qiáng)度具有一定的削減效果。

4) 巖層厚度不同，邊坡的動(dòng)力破壞模式不同；塑性區(qū)擴(kuò)展范圍隨強(qiáng)風(fēng)化區(qū)巖層厚度的增加而增加。

5) 在工況3條件下模型1與模型2邊坡的塑性區(qū)均未貫穿，而模型3在極短的時(shí)間內(nèi)塑性區(qū)便發(fā)生了擴(kuò)張貫通，說(shuō)明巖層厚度是動(dòng)力荷載下影響順層巖坡穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵因素。

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(責(zé)任編輯何杰玲)

StudyontheEffectofTimeDifferenceofSeismicWaveonDynamicResponseoftheBeddingHardRockSlope

SAHO Yanchao, LEI Yong, WEN Yongyi

(Department of Civil Engineering, Logistical Engineering University, Chongqing 401311, China)

By using finite difference software FLAC3D, the effect of time difference of seismic P-wave and S-wave on dynamic response of the bedding hard rock slope is discussed. The changes of the plastic zone and the displacement reveal the deformation mechanism of the slope. The results show the bedding hard rock slope is most likely to be destroyed when the seismic P-wave and S-wave both reach a larger value. The stretching effect of P-wave could weaken the mechanical strength of the rock masses, and the shearing effect of S-wave is the key factor of plastic zone changes.

rock bedded slope; seismic wave; time difference: dynamic response

2017-05-03

邵燕超(1992—)，男，碩士研究生，主要從事地質(zhì)構(gòu)造研究，E-mail:252363424@qq.com。

邵燕超，雷用，文永逸.地震縱橫波時(shí)差作用對(duì)順層硬質(zhì)巖坡動(dòng)力響應(yīng)的影響研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(11):128-134.

formatSAHO Yanchao, LEI Yong, WEN Yongyi.Study on the Effect of Time Difference of Seismic Wave on Dynamic Response of the Bedding Hard Rock Slope[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(11):128-134.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.11.019

TU4

A

1674-8425(2017)11-0128-07