地震崩塌影響因子敏感性分析及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

周智宇

摘要：崩塌是地震破壞的主要形式之一。地震是觸發(fā)土體崩塌的重要誘發(fā)因素，地震的強(qiáng)弱直接影響崩塌的發(fā)生及其規(guī)模。此次報(bào)告除了簡單分析形成崩塌的基本條件，也重點(diǎn)分析地震作用下影響巖土體崩塌的幾個(gè)重要敏感因素。結(jié)合地震作用對(duì)土體崩塌的影響和利用“塊體平衡理論”提出了相應(yīng)的地震穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)。

Abstract： Collapse is one of the main forms of earthquake damage. Earthquake is an important inducing factor that triggers soil collapse， and the strength of an earthquake directly affects the occurrence and scale of the collapse. In addition to a simple analysis of the basic conditions of collapse， this report also focuses on several important and sensitive factors affecting rock-soil collapse under earthquake action. Combining the influence of seismic action on soil collapse and the use of "block balance theory"， corresponding seismic stability analysis and evaluation are proposed.

關(guān)鍵詞：地震;崩塌;影響因子;穩(wěn)定性

Key words： earthquake;collapse;influence factor;stability

中圖分類號(hào)：P642.21 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）25-0174-02

0 ?引言

地震崩塌是地震震動(dòng)引起巖體脫離母體、在重力作用下快速地下滑、堆積的過程。巖土類型、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌是形成土體崩塌的基本條件;但是誘發(fā)土體崩塌的外界因素復(fù)雜，有地震、融雪、地表水沖刷及人類不合理的活動(dòng)等。通過了解地震震級(jí)、地震烈度與巖土體崩塌的關(guān)系以及本次研究分析了地層巖性、土體坡度、距斷裂距離、巖體高程、巖體相對(duì)高差5個(gè)地震觸發(fā)土體崩塌的影響因子。采用“塊體平衡理論”對(duì)易發(fā)生崩塌地區(qū)的巖體進(jìn)行穩(wěn)定評(píng)價(jià)，并為以后針對(duì)類似地區(qū)的崩塌災(zāi)害防治提供相應(yīng)的理論知識(shí)及具體措施。

1 ?崩塌災(zāi)害與地震參數(shù)的關(guān)系

①震級(jí)是表征地震強(qiáng)弱的度量。

②地震烈度是通過地震時(shí)人對(duì)周圍的感知、建筑物的破壞程度、崩滑等現(xiàn)象來反映地震宏觀影響強(qiáng)弱指標(biāo)。

地震等級(jí)與烈度都是影響地震誘發(fā)巖體崩塌規(guī)模和數(shù)量的重要參數(shù)。地震參數(shù)與崩塌災(zāi)害的發(fā)生呈正相關(guān)。

2 ?形成條件及影響因素

2.1 形成條件

①地形地貌：崩塌一般發(fā)生在坡度大于45度的高陡斜坡前緣。在地震作用下，由于高陡土體本來存在高差，結(jié)合能量守恒定律，勢能容易轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，從而為崩塌的形成提供物理?xiàng)l件。

②巖土類型：巖土是發(fā)生崩塌的物質(zhì)基礎(chǔ)。崩塌一般發(fā)生在厚層堅(jiān)硬脆性巖體中。結(jié)構(gòu)密實(shí)的薄弱結(jié)構(gòu)面在應(yīng)力重分布的作用下容易導(dǎo)致張拉裂縫的形成。最后結(jié)構(gòu)面演化為連續(xù)貫通的分離面使巖土體脫離母體發(fā)生崩塌。

③地質(zhì)構(gòu)造：發(fā)育有兩組或兩組以上的陡傾節(jié)理是發(fā)生崩塌的地質(zhì)前提。土體節(jié)理發(fā)育產(chǎn)生了大量的裂縫，使土體變得支離破碎，降低了其穩(wěn)定性。在地震作用下，發(fā)生崩塌的機(jī)率則大大提高。

2.2 影響因素

①地下水、地表水的作用：地震的作用，使得巖土體發(fā)育更多的孔隙。而地下水的涌水效應(yīng)會(huì)將土體顆粒一并帶走，從而降低巖土體的強(qiáng)度;另一方面，土層在水化作用下易泥化或者軟化導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度大大減小?？偠灾乇硭疂B入巖土體，軟化巖土及其中軟弱面，產(chǎn)生孔隙水壓力等從而誘發(fā)崩塌。

②地震作用：巖土體易受地震波的影響，使其土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。然而，地震慣性力往往作用在軟弱結(jié)構(gòu)面處發(fā)生張拉裂縫導(dǎo)致土體強(qiáng)度及穩(wěn)定性降低，發(fā)生崩塌的可能性也大幅提高。地震為崩塌地質(zhì)災(zāi)害提供了動(dòng)力條件。水平節(jié)理和垂直節(jié)理的產(chǎn)生的原因是地震力的水平和垂直作用力作用在斜坡巖體的各種軟弱結(jié)構(gòu)面中。在一定時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生的拉裂效應(yīng)使得巖體沿結(jié)構(gòu)面被震裂張拉，強(qiáng)度降低。最后，被震裂拉開的結(jié)構(gòu)面形成分離面，連續(xù)貫通的裂縫進(jìn)而使得巖土體的穩(wěn)定性降低。

3 ?地震崩塌影響因子的敏感性分析

根據(jù)四川汶川、迭溪地震崩塌災(zāi)害，我們分別對(duì)斜坡坡度、山地高程、地層巖性、距斷裂距離、山地相對(duì)高差等5個(gè)影響因子進(jìn)行敏感性研究。

3.1 斜坡坡度

影響斜坡穩(wěn)定性，失穩(wěn)造成崩塌災(zāi)害的重要因素。崩塌的分布由它的幾何特征所決定;應(yīng)力特征則由坡度大小決定并且斜坡穩(wěn)定性的強(qiáng)弱也由坡度角度大小所決定。松散固體物的分布規(guī)律及位置方位受山坡坡度的影響。坡度也為崩塌的發(fā)生提供動(dòng)力。在地震波的作用下，陡坡地巖土體由于卸載作用強(qiáng)烈，地震對(duì)斜坡的影響突出，崩塌節(jié)理發(fā)育最為嚴(yán)重。

3.2 山地高程

山地的地貌特征為地形高陡，地形發(fā)育縱橫交錯(cuò)，山地之間的高程大小參差不齊，山地巖土體的孔隙、節(jié)理發(fā)育，山坡分離面明顯。地震波的放大作用常發(fā)生在山脊附近。P波是地震波傳播最快的縱波，它使地表面上下發(fā)生明顯的振動(dòng)。巖土體的節(jié)理和裂縫由于P波的振動(dòng)作用迅速得發(fā)育、擴(kuò)展。當(dāng)裂縫發(fā)育到地震破壞最低限值時(shí)，巖土體就開始發(fā)生破壞。S波緊接其后，它使即將破壞的松散巖土體發(fā)生前后左右的搖擺，使巖土體脫離母體飛出，產(chǎn)生拋擲性崩塌。當(dāng)S波從地下深部震源向地表漸漸蔓延時(shí)，入射波和反射波兩者會(huì)在地表面聚集融合。地震波的振幅與高程呈正相關(guān)。綜上，崩塌在高程較大的山體更容易發(fā)生。其原因是地震波對(duì)高程的放大作用，至少放大到3倍及3倍以上。此外，孤立山包、山嘴或凹性陡坡最容易發(fā)生應(yīng)力集中，容易發(fā)生斜拉破壞。山地離活動(dòng)的主斷裂帶較遠(yuǎn)，地震波隨距離的增加而能量不斷衰減。地震波對(duì)土體的擾動(dòng)也就大大衰減，崩塌就不容易發(fā)生。

3.3 距斷裂的距離

通常10公里左右的斷裂構(gòu)造破碎帶的軟弱結(jié)構(gòu)面節(jié)理發(fā)育，使堅(jiān)硬脆性巖體發(fā)育為動(dòng)力變質(zhì)巖，由于風(fēng)化的作用再形成帶風(fēng)化殼的變質(zhì)巖。這為崩塌的發(fā)生提供了有利條件。根據(jù)斷裂帶在區(qū)域的活動(dòng)的有無，可分為活動(dòng)斷裂和未活動(dòng)斷裂。距離斷層越遠(yuǎn)的區(qū)域，崩塌的可能性越小;距離斷層越近的區(qū)域，崩塌的可能性越大。綜上所述，活動(dòng)斷裂比未活動(dòng)斷裂對(duì)崩塌的影響較大，也從側(cè)面反映了地震波引起的動(dòng)荷載作用可以作為崩塌發(fā)生的控制性因素。

3.4 地層巖性

坡體的穩(wěn)定性強(qiáng)弱和巖石受自然侵蝕難易程度往往與巖石的類型、軟硬程度以及巖石之間層間結(jié)構(gòu)有關(guān)。另外，這三者也反過來決定了巖土體的強(qiáng)度大小，抗侵蝕能力的強(qiáng)弱。根據(jù)汶川縣地震災(zāi)情，我們可以將巖體主要分為5個(gè)級(jí)別，分別為軟、較軟、軟硬適中、硬、較硬。從汶川地震崩塌的巖石知，片巖、砂礫巖、灰?guī)r、變粒巖、淺粒巖等硬巖對(duì)斜坡失穩(wěn)有影響。地震應(yīng)力不容易在軟質(zhì)巖石中傳播;相反，地震應(yīng)力更容易在硬質(zhì)的巖石中傳播。這是因?yàn)樵谟操|(zhì)巖石中，側(cè)面體現(xiàn)地震應(yīng)力更容易使硬質(zhì)巖石加速節(jié)理、孔隙和縫隙的發(fā)育，對(duì)巖石的幾何特征形成影響，對(duì)巖石造成破壞，從而使得巖體崩塌。

3.5 相對(duì)高差

能量守恒定律，勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能為崩塌災(zāi)害的發(fā)生提供動(dòng)力條件。勢能由相對(duì)高差所決定，兩者正相關(guān)。汶川縣崇山峻嶺，山地高低不平，其地形地貌為崩塌災(zāi)害的發(fā)生提供地質(zhì)條件。

4 ?崩塌的地震穩(wěn)定性分析

運(yùn)用《工程地質(zhì)手冊》書中所涉及：特殊地質(zhì)條件的勘察和對(duì)崩塌的評(píng)價(jià)方法——力學(xué)分析法。對(duì)崩塌的地震穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。以“塊體平衡理論”為計(jì)算方法，同時(shí)考慮靜水效應(yīng)、地震力的作用的存在。假定：①巖土體未受到破壞前，將視為一個(gè)整體。②坍塌體按平面的方式計(jì)算，取單位寬度進(jìn)行驗(yàn)算。③巖體之間的摩擦阻力可忽略不計(jì)。

通常，VII以上的烈度區(qū)要考慮水平地震作用力;在雨季，要考慮靜水壓力。因?yàn)橛晁畷?huì)進(jìn)入裂縫，會(huì)降低巖體的強(qiáng)度。計(jì)算抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)K，其公式如下：

F—靜水壓力（KN）;h0—水位高度（m），雨季時(shí)，取巖體高度;h—巖土高度（m）;？酌w—水重度，10kN/m3;W—崩塌體重力，kN;F—水平地震力，kN;a—崩塌體寬1/2（m）轉(zhuǎn)折點(diǎn)至重心的水平距離。

將各個(gè)數(shù)據(jù)帶入公式中，算出巖體的抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)。當(dāng)K<[K]，抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，巖體穩(wěn)定。當(dāng)K>[K]時(shí)，巖體則失穩(wěn)。

通常，巖體高度不好直接得出，它需要借助巖土體的物理參數(shù)計(jì)算得出。巖土高度h一般取張拉裂縫的最大值。坍塌體的抗拉強(qiáng)度低，在與坡面平行的節(jié)理中由于出現(xiàn)拉應(yīng)力集中的現(xiàn)象而形成張拉裂縫。巖體最大深度的取值公式：

γ—巖土體的容重（kN/m3）;c—巖土體的粘聚力（kPa）;Φ—巖土體的內(nèi)摩擦角（°）。

5 ?結(jié)束語

①地震波的傳播與介質(zhì)有關(guān)：巖性越硬，對(duì)地震波的吸收越弱。硬質(zhì)巖石的彈性差使得地震波的能量在巖石中衰減得快;軟弱巖石與硬質(zhì)巖石恰好相反，地震波對(duì)軟弱巖石的荷載作用弱，振動(dòng)響應(yīng)小以致崩塌不易發(fā)生。高程對(duì)地震波有放大效應(yīng)，隨著山體高程的增加，地震波對(duì)巖石的振動(dòng)幅度和頻率放大。地震波的放大作用使得山脊處、凸性處最容易發(fā)生崩塌。研究區(qū)的孤立山包、山嘴，周邊凌空地形節(jié)理發(fā)育，由于高陡地形的坡度和相對(duì)高差，為松散巖土體的勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能提供地質(zhì)構(gòu)造條件。另外，巖土體在地震橫、縱波交錯(cuò)作用下，發(fā)生上下前后左右的擾動(dòng)，導(dǎo)致應(yīng)力集中，最容易發(fā)生密集崩塌。②地震波的傳播與距離有關(guān)：研究發(fā)現(xiàn)，距離活動(dòng)斷裂帶的區(qū)域，地震波能量會(huì)逐漸減弱。利用“塊體平衡理論”和力學(xué)的分析方法，同時(shí)考慮靜水壓力和地震波作用并結(jié)合巖體的各個(gè)性質(zhì)參數(shù)來計(jì)算崩塌體的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)。通過與標(biāo)注抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)的大小比較來判斷巖體是否穩(wěn)定。

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