地震誘發(fā)玉樹堆積層滑坡的變形破壞機(jī)理淺析

文/李懷兵

1.引言

我國是全球大陸地震最集中、活動性最高的地區(qū)之一[1]，歷史上曾發(fā)生多次強(qiáng)震，目前正處于地震活躍期。

滑坡是我國最常見的一種自然災(zāi)害。滑坡災(zāi)害不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,還嚴(yán)重危害人民的生命安全。例如，2010年4月14日發(fā)生的7.1級青海玉樹地震，造成約2698人遇難，經(jīng)濟(jì)損失近十億元。且據(jù)不完全統(tǒng)計，中國每年因滑坡災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失就在10億美元以上,依據(jù)中國地調(diào)局地質(zhì)災(zāi)害通報數(shù)據(jù),2009僅全國特大型和大型滑坡災(zāi)害共發(fā)生16起,直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到1.90億元人民幣；2011年死亡失蹤10人以上或直接經(jīng)濟(jì)損失1億元以上的重大災(zāi)害發(fā)生7起,直接經(jīng)濟(jì)損失5.99億元人民幣；僅在2012年8月,全國共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害5752起,其中滑坡高達(dá)4841起，造成直接損失超過數(shù)十億元。

堆積層滑坡作為一種典型滑坡，具有分布廣泛、爆發(fā)頻率高、持續(xù)危害性大等特點(diǎn)，在滑坡類型中占很大的比例[2]。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅在長江上游地區(qū)100萬km2范圍內(nèi),就發(fā)育滑坡1736個,其中64%為堆積層滑坡,而在三峽庫區(qū)二、三期治理和監(jiān)測的崩塌滑坡災(zāi)害點(diǎn)中,堆積層滑坡點(diǎn)約占80%[3]。因而，研究高烈度地震區(qū)，堆積層滑坡的變形破壞機(jī)制具有重要意義。

近年來，關(guān)于地震作用下的堆積層滑坡分析已經(jīng)有了很多研究。仵大碧[4]對地震作用下的黃土滑坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。王明軒[5]針對許家灣滑坡分析了其成因機(jī)理和邊坡的穩(wěn)定性。蘇生瑞[6]對汶川地震的滑坡形成機(jī)理進(jìn)行了數(shù)值模擬研究?？梢?，目前對堆積層滑坡的變形破壞機(jī)理研究還比較缺乏。

本文以玉樹機(jī)場路滑坡群0#堆積層滑坡為依托，重點(diǎn)歸納了地震作用下，玉樹堆積層滑坡的兩種變形破壞機(jī)制。

2.地震作用下堆積層滑坡的變形破壞機(jī)理

玉樹0#滑坡坡面坡度約20°，其第七塊滑坡滑動方向NE52°，主滑段傾角約18°～19°，沿線路寬約133m，垂直線路長度183m，滑體體積約12.1×104m3。

堆積層主要由角礫土、碎石土以及粘土構(gòu)成，其地球物理特性如圖1所示。從圖1中可以看出其滑坡介質(zhì)電阻率分布較均勻且物性層位清楚，能夠反映邊坡內(nèi)部情況及滑坡發(fā)育情況。兩剖面有非常好的對應(yīng)關(guān)系，表層局部阻值較高，而中層較低且形成連續(xù)的閉合低阻閉合圈，為低阻軟弱含水層或過濕帶，后部高阻區(qū)為基巖。

圖1 滑坡物探縱斷面圖

圖2 0#滑坡某典型斷面圖 （1：500）

2.1 有限元模型的建立

由于0#第七條堆積層滑坡坡體結(jié)構(gòu)及構(gòu)成相近，簡化為二維模型進(jìn)行模型分析，如圖2所示，模型長48m,高25.5m,與原型比例約為1：4。

滑體采用參數(shù)：ψ= 28°，E=18Mpa C=22Kpa,u=0.3;基巖采用參數(shù)35°，E=60Mpa，C=40Kpa,u=0.18。

本文采用ABAQUS數(shù)值模擬軟件進(jìn)行建模分析，為使結(jié)果具有一般性，采用南北向EL-Centro波進(jìn)行加載分析（如圖3）。有限元模型單元均采用CPE4平面應(yīng)變單元，劃分好的計算模型如圖4所示。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬得出：地震作用下，坡體變形首先從坡體后部開始，并不斷向前緣發(fā)展,圖中單位均為mm,如圖5所示。

隨著動峰值加速度的增大，滑體的塑性變形進(jìn)一步增大。此時，滑體塑性變形在土巖結(jié)合面最大（如圖6）。

當(dāng)振動效應(yīng)積累至一定程度后，坡體形成淺層滑動面，體現(xiàn)出了以淺層滑動面為依附面的坡面變形，并向坡體內(nèi)部（深層滑面）不斷牽引，如圖7所示。

隨著動峰值加速度的進(jìn)一步增大，滑體在土巖結(jié)合面逐漸形成新的深層滑動面，如圖8所示。

圖3 EI-Centro波水平向加速度時程曲線

圖4 有限元計算模型

圖5 0.1g水平加速度作用下滑體塑性變形

圖6 0.2g水平加速度作用下滑體塑性變形

圖7 0.3g水平加速度作用下滑體位移

圖8 0.4g水平加速度作用下滑體塑性變形

通過上述分析，在地震作用下，玉樹堆積層0#第七條滑坡變形體現(xiàn)為多個滑動面的多級滑坡。在0.1g水平加速度作用下，首先在坡體后緣形成淺層滑動；隨著峰值加速度的進(jìn)一步增大，體現(xiàn)出了以淺層滑動面為依附面的坡面變形并向坡體內(nèi)部（深層滑面）不斷牽引，最終形成深層滑動，坡體整體失穩(wěn)。本次數(shù)值模擬結(jié)果與震后調(diào)查結(jié)果基本一致。

3.結(jié)論

本文以玉樹地震0#滑坡第七塊滑坡為模擬原型，通過物探及其組成成份分析，將其簡化為二維模型進(jìn)行數(shù)值模擬，并得出以下結(jié)論：

（1）在地震作用下，堆積層滑坡的失穩(wěn)是一個變形累積的漸進(jìn)破壞過程；動峰值加速度越大，變形越大。

（2）在地震作用下，玉樹0#第七滑塊堆積層滑坡的變形破壞發(fā)育于坡體淺層滑面，逐漸向坡體深層滑面發(fā)展，最終形成多滑動面的多級滑坡。

（3）本次模擬結(jié)果與震后調(diào)查結(jié)果基本一致。