泥巖上覆黃土地震滑坡動(dòng)力變形分析*

王 璋，倪萬(wàn)魁，姜 騫，徐龍帥

(長(zhǎng)安大學(xué)，地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安，710054)

泥巖上覆黃土地震滑坡動(dòng)力變形分析*

王 璋，倪萬(wàn)魁，姜 騫，徐龍帥

(長(zhǎng)安大學(xué)，地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安，710054)

以寧夏海原縣九彩鄉(xiāng)滑坡為例，通過(guò)對(duì)其工程地質(zhì)特性進(jìn)行調(diào)查，得出了滑坡成因。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出黃土與滑帶土在靜力狀態(tài)與動(dòng)力狀態(tài)下的力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)，然后運(yùn)用FLAC3D有限差分軟件建立了斜坡數(shù)值分析模型，加入震級(jí)與海原大地震相近的汶川地震的地震荷載，分析泥巖上覆的薄層黃土滑坡在地震作用下的破化模式。在模擬過(guò)程中可以得出：①在地震荷載的作用下，斜坡水平位移最大處發(fā)生在坡體后部較陡的部位，坡體中部和坡腳處的位移相對(duì)較小；②根據(jù)最大剪應(yīng)變?cè)茍D與監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移圖，斜坡的大變形主要發(fā)生在地震加載的5～10s的區(qū)間內(nèi)，10s后的變形趨于穩(wěn)定。

地震黃土滑坡；動(dòng)力響應(yīng)；破壞模式；九彩鄉(xiāng)滑坡；寧夏海原

我國(guó)黃土分布廣，厚度大，面積為63.53 萬(wàn)km2，占全國(guó)陸地總面積的6.63%[1]，擁有世界最大的黃土地貌——黃土高原。加之我國(guó)處于世界上兩個(gè)最大地震集中發(fā)生的地帶——東部為西太平洋地震帶，西南為歐亞地震帶，地震斷裂帶十分發(fā)育。因此我國(guó)地震頻發(fā)，并且大多為震源深度在20km以?xún)?nèi)的淺源地震。僅僅2015年，中國(guó)大陸地震共造成災(zāi)害事件12次，全年地震共造成33人死亡，1 217人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失180億元。地震災(zāi)害共造成414.28萬(wàn)m2的房屋毀壞和嚴(yán)重破壞，957.88萬(wàn)m2的房屋中等及以下破壞，共133.56萬(wàn)人受災(zāi)[2]。因此對(duì)地震作用下黃土地區(qū)產(chǎn)生的各種地質(zhì)災(zāi)害的研究會(huì)十分重要，尤其是地震所引起的滑坡，前人在這方面做出了大量的工作。胡廣韜提出了邊坡動(dòng)力失穩(wěn)機(jī)制的坡體波動(dòng)振蕩加速效應(yīng)假說(shuō)[3]。毛彥龍?zhí)岢隽似麦w波動(dòng)振蕩破壞巖坡巖土體時(shí)的三種效應(yīng)[5]。王家鼎[5-7]對(duì)地震滑坡做出了深入研究，他首先提出了飽和黃土導(dǎo)致高速滑坡的過(guò)程，接著理論上分析了該類(lèi)滑坡的成因，之后又提出了一種新的地震誘發(fā)高速黃土滑坡的機(jī)理。顧成壯深入揭示了地震滑坡的啟程動(dòng)力學(xué)機(jī)理，得出地震觸發(fā)斜坡破壞主要是其“波動(dòng)振蕩鏈”綜合效應(yīng)所致，地震滑坡啟程階段經(jīng)歷了“先啟動(dòng)，后加速至啟程”的過(guò)程[8]。鄧龍勝針對(duì)海原縣及附近地區(qū)由海原地震所引起的黃土滑坡展開(kāi)調(diào)查，提出了黃土地震滑坡的四種類(lèi)型[9]。趙文琛對(duì)地震所引起的黃土層內(nèi)滑坡進(jìn)行了機(jī)制分析[10]。

本文以海原縣九彩鄉(xiāng)滑坡為例，運(yùn)用FLAC3D有限差分軟件建立了斜坡數(shù)值分析模型，加入地震荷載，分析滑坡在地震作用下的破化模式，得出地震作用下斜坡的動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律和變化規(guī)律。

1 滑坡工程地質(zhì)特征

1.1 滑坡基本特征

該滑坡為一小角度黃土泥巖接觸面滑坡，滑坡前緣受水流沖刷嚴(yán)重，下切較深，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪平面圖見(jiàn)圖1，剖面圖見(jiàn)圖2。

滑坡在平面上呈不規(guī)則狀，滑體上下部分較薄，中間厚，兩側(cè)稍低，整體傾向南東。滑坡兩側(cè)以沖溝為界，坡體長(zhǎng)500 m，寬700 m，面積35萬(wàn)m2，滑坡平均厚約5 m，體積17萬(wàn)m3，總體地勢(shì)北高南低?；w在剖面上為呈多級(jí)階梯狀，上陡下緩，整體坡度12°，滑坡后壁呈波浪狀?；虑熬壐叱? 815 m，坡體后緣高程1 917 m，坡體高差為102 m。

圖1 滑坡工程地質(zhì)平面示意圖

圖2 滑坡工程地質(zhì)剖面示意圖

1.2 滑坡地層特征

滑體：滑體主要物質(zhì)為Q4粉土，土體內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育，表面可見(jiàn)發(fā)育有沖溝和落水洞，表層植物根系較多，整體上土層疏松，強(qiáng)度差。

滑動(dòng)帶(面)：滑坡體上部為滑動(dòng)后的黃土和原生黃土之間的接觸面，接觸面光滑，含水量大；中部至下部為強(qiáng)風(fēng)化的巖石面與粉土夾碎石土接觸帶，接觸帶粗糙，滑帶土層疏松，土體強(qiáng)度差，土中含水量較大。不同位置的滑帶土其物質(zhì)組成略有差別：在滑體前部，巖性為碎石土，風(fēng)化基巖在上覆土體巨大推力作用下形成可見(jiàn)鏡面和擦痕；滑體后部為粉土與泥巖混雜，狀態(tài)堅(jiān)硬致密，呈褐紅色，表面光滑，擦痕清晰。

滑床：為古近系漸新統(tǒng)清水營(yíng)組(E3q)紅色砂質(zhì)泥巖，滑帶部位巖體受侵蝕嚴(yán)重，強(qiáng)度較低。

1.3 海原8.5級(jí)地震

滑坡區(qū)域位于南、西華山北麓深大斷裂北側(cè)，巖體極為破碎。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為較強(qiáng)烈的間歇性升降運(yùn)動(dòng)，致使沖溝深切，階地發(fā)育。1920年海原大地震震級(jí)達(dá)8.5級(jí)，波及范圍極大，并且當(dāng)時(shí)九彩鄉(xiāng)位于Ⅹ度區(qū)[11]。該地區(qū)因強(qiáng)震而導(dǎo)致地質(zhì)環(huán)境很差，土體松散，地質(zhì)災(zāi)害及隱患多數(shù)都與地震有關(guān)。

1.4 滑坡工程地質(zhì)綜合分析

根據(jù)勘察資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查訪問(wèn)得知，九彩鄉(xiāng)滑坡為地震滑坡，滑坡輪廓清晰，整體坡度平緩。受雨水侵蝕，滑坡體上沖溝、落水洞發(fā)育，坡面破碎，滑坡前緣受流水侵蝕形成陡坎，剪出口和滑帶清晰可見(jiàn)。在剪出口可以觀察到滑面附近的基巖破碎，受滑坡影響部分滑入沖溝。在天然工況下滑坡整體的穩(wěn)定性較好，未見(jiàn)明顯復(fù)活的跡象，在汶川地震時(shí)，也保持穩(wěn)定，對(duì)道路未產(chǎn)生明顯破壞，所以判定九彩鄉(xiāng)滑坡整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。但該滑坡處于高烈度區(qū)，且整個(gè)坡體黃土受地震影響嚴(yán)重，土體松散，坡體破碎，暴雨會(huì)集中沿裂縫和落水洞貫入，因此滑坡在未來(lái)強(qiáng)烈地震和集中降雨條件下有局部復(fù)活的可能。

2 斜坡數(shù)值模型建立

2.1 地質(zhì)模型的概化。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與勘察資料，通過(guò)Extrusion模塊建立的FLAC3D模型共有8 170個(gè)單元。在黃土與基巖之間的滑帶建立接觸面單元。

2.2 模型的邊界條件。

模型范圍內(nèi)沒(méi)有發(fā)育斷層、褶皺等構(gòu)造,為重點(diǎn)分析黃土在地震作用下的破壞模式,在計(jì)算中未施加水平構(gòu)造應(yīng)力,模型底面為固定約束邊界。而坡面則不設(shè)任何邊界限制,在斜坡的左右邊界上,固定其X方向上的位移和速度，整個(gè)模型將與紙面垂直的Y方向位移和速度固定。

在地震動(dòng)力條件下，滑坡采用自由邊界場(chǎng)。為了防止向上的面波在邊界上產(chǎn)生扭曲，通過(guò)在主體網(wǎng)格的側(cè)邊界設(shè)置阻尼器與自由場(chǎng)網(wǎng)格進(jìn)行耦合,將自由場(chǎng)網(wǎng)格的不平衡力施加到主體網(wǎng)格的邊界上，使自由場(chǎng)邊界提供了與無(wú)限場(chǎng)地相同的效果[12]。

2.3 模型準(zhǔn)則。

本次計(jì)算過(guò)程中，初始應(yīng)力計(jì)算采用的是常用的彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則為摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，動(dòng)力計(jì)算采用“動(dòng)態(tài)多步”來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

2.4 物理力學(xué)參數(shù)的選取。

在FLAC3D程序中,巖土體的變形參數(shù)采用的是剪切模量G和體積模量K，該參數(shù)按公式(1)和公式(2)確定。

(1)

(2)

式中：μ為巖土體的泊松比，E為其彈性模量。

接觸面粘結(jié)力與內(nèi)摩擦角采用黃土殘余強(qiáng)度參數(shù)，抗拉強(qiáng)度為0，法向剛度Kn和剪切剛度Ks根據(jù)公式(3)確定。

(3)

式中：K是體積模量，G是剪切模量，△zmin是接觸面法向方向上連續(xù)區(qū)域的最小尺寸。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)，土體動(dòng)力力學(xué)參數(shù)選取見(jiàn)表1。

表1 巖土動(dòng)力力學(xué)參數(shù)

2.5 模型的建立以及離散化。

根據(jù)上述分析及計(jì)算方案對(duì)地質(zhì)原型的概化與分析，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立模型如圖3所示。

圖3 滑坡數(shù)值模擬模型

3 斜坡地震動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值模擬

3.1 靜力分析結(jié)果

靜力分析首先進(jìn)行初始應(yīng)力場(chǎng)模型計(jì)算，計(jì)算完成后利用摩爾庫(kù)倫模型再次進(jìn)行彈塑性計(jì)算，圖4是計(jì)算完成后的最大剪應(yīng)變?cè)隽繄D。從圖中可以看出，斜坡天然狀態(tài)下坡頂?shù)淖畲蠹魬?yīng)變?cè)隽看笥谄麦w中部及下部，其主要分布在地層淺部范圍內(nèi)，且數(shù)值較小，因此不會(huì)影響坡體的穩(wěn)定性。結(jié)合圖5可以看出靜力計(jì)算后的水平位移也只是在坡體較陡的部分出現(xiàn)最大值，也僅僅是1.9 mm的位移，對(duì)坡體的穩(wěn)定性不會(huì)產(chǎn)生影響。通過(guò)強(qiáng)度折減法對(duì)坡體穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，天然狀態(tài)下坡體穩(wěn)定性達(dá)到了3.48。

3.2 地震波輸入

由于缺乏1920年海原大地震地震波的原始數(shù)據(jù)記錄,本文采用汶川地震波來(lái)代替。汶川地震震級(jí)與海原大地震相近，所以本次截取汶川8級(jí)地震地震波的前20 s作為模擬地震波，并對(duì)其進(jìn)行濾波和基線(xiàn)校正。處理后的地震波峰值加速度為2.496 m/s2，波形圖見(jiàn)圖6。因?yàn)榫挪枢l(xiāng)地處Ⅹ度地震烈度區(qū)，該區(qū)地震峰值加速度大于0.4 g，所以在地震波加載時(shí)對(duì)其進(jìn)行1.7倍增幅。

圖4 靜力計(jì)算最大剪應(yīng)變?cè)隽繄D

圖5 靜力計(jì)算水平位移圖/m

圖6 汶川8級(jí)地震地震波波形圖

3.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置

本次監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在現(xiàn)存滑坡的滑面位置，共布置了三個(gè)，分別位于接觸面的前部、中部和后部，監(jiān)測(cè)接觸面水平和豎向位移的變化情況，布置情況見(jiàn)圖7。

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

3.4 動(dòng)力結(jié)果分析

圖8為斜坡動(dòng)力計(jì)算后的水平位移云圖。從圖中可以看出斜坡坡頂處水平位移較小，只有5 cm，位移最大處發(fā)生在坡體后部較陡的部位，該處的水平位移達(dá)到了48.9 cm，從坡體中部到坡腳處的位移逐漸較小，從30 cm減小到10 cm?；鶐r整體順著破面有著較小的位移。圖9為斜坡動(dòng)力計(jì)算后的豎向位移云圖。從坡體后部較陡處到坡腳處的土體都產(chǎn)生了向下的位移，而且位移從上部到下部逐漸減小。圖10為斜坡動(dòng)力計(jì)算后的位移矢量云圖，根據(jù)圖中位移矢量及圖8、圖9所示，斜坡在地震作用下坡體后部產(chǎn)生斜向下的位移，水平位移和豎向位移在整個(gè)坡體前部角度小，產(chǎn)生的位移以豎向震陷為主，并且越靠近坡腳受坡體后部的水平推力越小，產(chǎn)生的水平位移也越小。

圖8 動(dòng)力計(jì)算水平位移云圖/m

圖9 動(dòng)力計(jì)算豎向位移云圖/m

圖10 動(dòng)力計(jì)算位移矢量云圖

圖11 動(dòng)力計(jì)算不同時(shí)段最大剪應(yīng)變?cè)茍D

圖11是動(dòng)力加載過(guò)程中5 s、10 s、15 s、20 s時(shí)的最大剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D。前5 s的最大剪應(yīng)變?cè)隽肯鄬?duì)較小，5 s到10 s的過(guò)程中是最大剪應(yīng)變?cè)隽吭龃蟮闹饕獣r(shí)段，增大了3倍左右，表明這段時(shí)間內(nèi)滑體部分剪應(yīng)變迅速增大，產(chǎn)生較大的變形。10 s到20 s的過(guò)程最大剪應(yīng)變?cè)隽恳呀?jīng)相對(duì)較穩(wěn)定，變化量不大，但是這段時(shí)間內(nèi)剪應(yīng)變?cè)谄麦w后部穩(wěn)定增長(zhǎng)，表明坡體的滑動(dòng)處于持續(xù)變形階段。由此可知，該斜坡在地震作用下的主要在5～10 s內(nèi)貫通了黃土與基巖的接觸面，滑坡開(kāi)始啟動(dòng)，10～20 s內(nèi)滑坡滑速逐漸趨于穩(wěn)定。

3.5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移分析

從圖12中可以看出5 s前的豎向位移增量較小，5～10 s時(shí)1號(hào)點(diǎn)的位移增加迅速，10～20 s時(shí)的位移變化逐漸平緩，而2、3號(hào)點(diǎn)變化一直相對(duì)較緩。從圖13中可以看出，1號(hào)點(diǎn)的水平位移增加量從5 s開(kāi)始急劇增大，并且增大趨勢(shì)一直不變。2、3號(hào)受地震荷載往復(fù)運(yùn)動(dòng)，整體是面向臨空面產(chǎn)生位移。根據(jù)坡形和監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移圖可以推斷出，

圖12 斜坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移監(jiān)測(cè)圖/m

圖13 斜坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移監(jiān)測(cè)圖/m

圖14 九彩鄉(xiāng)滑坡原始坡形與現(xiàn)狀的對(duì)比圖

受地震和地形影響1號(hào)點(diǎn)產(chǎn)生較大的面向臨空面的水平和豎向位移；2、3號(hào)點(diǎn)的豎向和水平位移主要受上部土體推動(dòng)而產(chǎn)生，并且存在一定的震陷量。

3.6 滑坡形成過(guò)程分析

圖14為九彩鄉(xiāng)滑坡原始坡形與現(xiàn)狀的對(duì)比圖，紅色線(xiàn)表示的原始坡面線(xiàn)，黑色線(xiàn)表示現(xiàn)在的坡面線(xiàn)。根據(jù)上述分析及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪可知，原始斜坡在地震荷載的作用下，后緣較陡處發(fā)生的變形位移最大，坡體中前部較為平緩，位移小，因此，坡體后部的土體往下滑動(dòng)，推動(dòng)整個(gè)坡體，并且后部土體在中部堆積形成一個(gè)較厚的平緩部位；下部土體產(chǎn)生震陷作用。后期經(jīng)過(guò)雨水侵蝕，尤其是人類(lèi)活動(dòng)的改造，下部滑體形成了如今的狀態(tài)。

4 結(jié)論

(1)九彩鄉(xiāng)滑坡根據(jù)滑坡的滑動(dòng)面和層面關(guān)系、運(yùn)動(dòng)方式及滑動(dòng)深度，可將其歸為順層滑坡。

(2)九彩鄉(xiāng)滑坡后緣較陡，在地震荷載的作用下，后緣較陡處的變形大，并且以水平向運(yùn)動(dòng)為主，產(chǎn)生了較大的下滑推力，推動(dòng)整個(gè)土體向前滑動(dòng)，堆積在滑體中部，形成推移式的滑動(dòng)方式。

(3)九彩鄉(xiāng)滑坡前緣平緩，由于中部土體阻隔，受后緣下滑推力影響相對(duì)較小，在地震荷載作用下，前緣土體受主要產(chǎn)生豎向震陷作用。

[1] 嚴(yán)西華.黃土高路塹邊坡穩(wěn)定性分析[D].西安: 長(zhǎng)安大學(xué), 2001.

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Dynamic Deformation Analysis of Seismic Loess Landslide Covered on Mud Rock

WANG Zhang, NI Wankui, JIANG Qian and XU Longshuai

(Chang’anUniversity,SchoolofGeologyEngineeringandGeomatics,Xi’an710054,China)

Taking Jiucai landslide of Haiyuan county as an example, we investigated its engineering geologic condition, then we unraveled the cause of landslide. Through experiment, we got the strength parameters of loess and slip soil in static and dynamic condition respectively, after which we built up slope-data-analysis model via FLAC3D software and input the earthquake load of Wenchuan earthquake whose load is similar with that of Haiyuan earthquake. We analyzed sliding mechanism of the thin loess slope on mud rock under earthquake load, and came to conclusion: ①when earthquake happens, the maximum horizontal displacement is found in the cliff part in slope, while horizontal displacement in middle part and base of slope is smaller. ②according to cloud pictures of shear strain and displacement diagram of monitoring points, maximum displacement of slope happens in the first 5thto 10thsecond after imposition of earthquake load, and displacement of slope become stable after 10thsecond.

seismic loess landslide; dynamic response; destruction mode; Jiucai landslide; HaiYuan of NingXia Province

王璋，倪萬(wàn)魁，姜騫，等.泥巖上覆黃土地震滑坡動(dòng)力變形分析[J].災(zāi)害學(xué)，2018，33(1)：225-229.[WANG Zhang，NI Wankui，JIANG Qian,et al.Dynamic Deformation Analysis of SeismicLoess Landslide covered on Mud Rock[J].Journal of Catastrophology，2018，33(1)：225-229.

10.3969/j.issn.1000-811X.2018.01.039.]

2017-06-30

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程“陜北城鄉(xiāng)山地建筑災(zāi)害防治關(guān)鍵技術(shù)研究與示范工程”(2014KTDZ03-01-02)

王璋(1992-)，男，陜西渭南人，碩士研究生，主要從事地質(zhì)災(zāi)害等方向的研究.

E-mail：568027164@qq.com

倪萬(wàn)魁(1965-)，男，寧夏固原人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閹r土力學(xué)、非飽和土力學(xué)等.

E-mail：1326763493@qq.com

X43；P642；P694

A

1000-811X(2018)01-0225-05

10.3969/j.issn.1000-811X.2018.01.039