楊成銘吳宏陽(yáng)鄒飛

摘 要：為了研究地震作用下巖石邊坡節(jié)理面的動(dòng)力響應(yīng)和破壞特點(diǎn)，本文利用大型有限元軟件ANSYS建立了含節(jié)理面的巖石邊坡模型。通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)節(jié)理面將巖石邊坡分成兩個(gè)部分，兩部分的應(yīng)力、應(yīng)變和動(dòng)力響應(yīng)由于節(jié)理的存在而發(fā)生顯著的變化，在節(jié)理面處產(chǎn)生集中和跳躍現(xiàn)象，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)節(jié)理面角度越大，則巖石邊坡節(jié)理面滑移距離越大，在整個(gè)地震作用的時(shí)間內(nèi)，節(jié)理面的滑移不是連續(xù)變化的，而是分成三個(gè)階段。

關(guān)鍵詞：巖石節(jié)理面；地震作用；動(dòng)力響應(yīng)；數(shù)值模擬

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1 引言

巖體的力學(xué)特性和穩(wěn)定性不僅受其本身強(qiáng)度參數(shù)的影響，還很大程度上還取決于其完整程度、節(jié)理及軟弱結(jié)構(gòu)的影響。以往在進(jìn)行巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)往往采用巖體強(qiáng)度控制而不是采用結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度控制，而實(shí)際上巖體結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度參數(shù)要比巖石的強(qiáng)度低得多，因此對(duì)于巖質(zhì)邊坡來(lái)說(shuō)起控制作用的是節(jié)理結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度。地震作用下巖體破壞主要發(fā)生在巖體的節(jié)理面上，巖體節(jié)理面的強(qiáng)度和力學(xué)性質(zhì)成為影響巖體破壞的主要控制因素。地震誘發(fā)的巖質(zhì)邊坡破壞(滑動(dòng)和坍塌)是常見(jiàn)的地震災(zāi)害，特別是在我國(guó)西部山區(qū)和丘陵地帶，地震誘發(fā)的邊坡破壞分布廣泛，汶川8.0級(jí)大地震造成的山體滑坡給災(zāi)區(qū)人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成巨大的危害。因此研究地震作用下節(jié)理面的動(dòng)力響應(yīng)和破壞特點(diǎn)具有十分重要的意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)巖體節(jié)理面的破壞模式做了大量的研究工作，祁生文[1](2004)分析了邊坡在動(dòng)力作用下的可能破壞形式，對(duì)地震邊坡的失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行了探討，認(rèn)為地震邊坡的失穩(wěn)是由于地震慣性力的作用以及地震產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力迅速增大和累積作用這兩個(gè)方面原因造成的。梁慶國(guó)[2](2007)研究垂直向地震作用對(duì)節(jié)理巖石邊坡失穩(wěn)破壞的影響，研究認(rèn)為在巖石邊坡節(jié)理分布特征和靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)一定的初始條件下,第一個(gè)導(dǎo)致巖體中產(chǎn)生破裂的地震動(dòng)加速度幅值及其方向的組合唯一地決定了巖體不可逆破壞發(fā)展的方向、機(jī)制及最終的破壞特征,其復(fù)雜性遠(yuǎn)大于靜力作用時(shí)的情況。林永亮[3](2008)研究了地震作用下節(jié)理巖體的抗震穩(wěn)定性分析，初步分析了地震荷載作用下坡度、節(jié)理面傾角、拉裂深度、地震荷載及強(qiáng)度參數(shù)對(duì)抗震穩(wěn)定性的影響。縱觀國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)目前大多數(shù)學(xué)者研究主要集中在含有節(jié)理的巖石邊坡破壞研究，而針對(duì)地震作用下節(jié)理面的動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)研究卻很少，本文在前文研究的基礎(chǔ)上，主要分析節(jié)理面在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)，對(duì)分析節(jié)理巖石邊坡的地震破壞模式具有十分重要的意義。

2 地震作用下含節(jié)理面巖石邊坡數(shù)值模擬

2.1 建立數(shù)值模擬模型

根據(jù)中國(guó)科學(xué)院成都地理研究所[4]（1978）調(diào)查指，在我國(guó)，地震條件下斜坡容易發(fā)生滑坡的斜坡角度為20°~60°。為了研究地震作用下巖石邊坡節(jié)理面的動(dòng)力響應(yīng)，本文簡(jiǎn)化節(jié)理面，將其假設(shè)為直線，建立了坡角為42°的含節(jié)理面的巖石邊坡模型，模型長(zhǎng)和寬都是100m。利用大型有限元軟件ANSYS建立的模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖2.1所示。

圖2.1 數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分模型

2.2 模型物理參數(shù)及地震動(dòng)力荷載輸入

滑坡體模型被節(jié)理面劃分為基巖和滑坡體兩個(gè)部分，節(jié)理面簡(jiǎn)化為直線型，為反映出節(jié)理面的粗糙程度，在節(jié)理面建立了接觸對(duì)，節(jié)理面的摩擦系數(shù)為Mu=0.35，模型的底部和周邊采取固定邊界，在斜坡體滑移面方向和豎直方向自由?；聻閹r質(zhì)斜坡，斜坡材料計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2-1。

表2-1 模型材料物理力學(xué)參數(shù)

巖層 彈性模量 泊松比 容重 抗剪強(qiáng)度

E/GPa ν γ/kN ?m-3 φ/ ° C/MPa

滑體 0.35 0.3 23 25 1.0

基巖 3.1 0.25 27 36 0.7

結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析采用瞬態(tài)動(dòng)力分析方法，即時(shí)程分析法。記錄時(shí)間為5s，時(shí)間間隔為0.01s共計(jì)50個(gè)記錄值。根據(jù)基本烈度表，基本烈度為7、8、9度時(shí)，地面運(yùn)動(dòng)的最大加速度av加速分別為0.125g、0.25g、0.5g。

3 地震作用下巖石邊坡節(jié)理面的動(dòng)力響應(yīng)分析

3.1 地震作用下節(jié)理面的動(dòng)力響應(yīng)

在地震作用下，含有節(jié)理的巖石邊坡的應(yīng)力和應(yīng)變?cè)诠?jié)理面處發(fā)生顯著的變化，節(jié)理面將一個(gè)完整的巖體劃分成兩個(gè)部分，這兩部分的巖體的應(yīng)力和應(yīng)變規(guī)律不一致，巖石邊坡的應(yīng)力和應(yīng)變?cè)诠?jié)理面處產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，由此節(jié)理面成為巖石邊坡的薄弱面，在地震作用下極易發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致整個(gè)邊坡的失穩(wěn)破壞。為了單獨(dú)分析節(jié)理面的在地震作用下的動(dòng)力響，本文利用軟件建立節(jié)理面，并只考慮節(jié)理面的應(yīng)力、應(yīng)變及滑移距離，從而分析節(jié)理面在地震作用下變形破壞的機(jī)理。

圖3.1 地震作用下節(jié)理面應(yīng)力云圖

圖3.2 地震作用下節(jié)理面滑動(dòng)位移云圖

圖3.3 地震作用下節(jié)理面震顫云圖

從圖3.1-圖3.3可以看出，在地震作用下，節(jié)理面處的應(yīng)力、位移和震顫沿著節(jié)理面變化，節(jié)理面的應(yīng)力在底部的中間部位應(yīng)力最大，而位移則是在節(jié)理面的轉(zhuǎn)折處產(chǎn)生集中的現(xiàn)象，而巖石邊坡在地震作用下的震顫則大小交替變化，

3.2 地震作用下巖石邊坡節(jié)理面滑移響應(yīng)數(shù)值模擬

為了研究巖石邊坡節(jié)理角度變化對(duì)維滑坡體滑動(dòng)的動(dòng)力響應(yīng)，分別建立了節(jié)理面角度α=8°、18°、28°和38°共計(jì)四種角度下的節(jié)理面模型。通過(guò)觀測(cè)點(diǎn)來(lái)分析地震作用下接觸面的滑移距離，如圖3.4所示。

圖3.4不同節(jié)理面角度下巖體滑移時(shí)程曲線

圖3.4可以看出，節(jié)理面角度α越大，則節(jié)理面處的滑移距離也越大；在整個(gè)地震作用的5s內(nèi)，節(jié)理面的滑移不是連續(xù)變化的，而是分成三個(gè)階段。在0~0.6s 滑移距離緩慢增大，在0.6s~1s是穩(wěn)定階段，隨后又開(kāi)始快速增大到1.3s左右再次進(jìn)入穩(wěn)定階段，在1.5s~2s滑移距離急劇增大，2s后滑移距離基本保持不變。說(shuō)明地震作用的整個(gè)周期內(nèi)節(jié)理面的滑移只在特定的時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生滑移，在其他時(shí)間內(nèi)是能量聚集的過(guò)程，到2S后滑移距離不變說(shuō)明滑坡已經(jīng)完全失穩(wěn)破壞。

4 結(jié)論

本文利用ANSYS軟件模擬了地震作用下巖石邊坡節(jié)理面的動(dòng)力響應(yīng)和破壞特點(diǎn)，利用軟件建立了含節(jié)理面巖石邊坡模型。通過(guò)分析模型節(jié)理面處的位移、應(yīng)力和滑移距離的動(dòng)力響應(yīng)分析，主要得出了以下結(jié)論：

1）地震作用下，節(jié)理面將一個(gè)完整的巖體劃分成兩個(gè)部分，這兩部分的巖體的應(yīng)力和應(yīng)變規(guī)律不一致，巖石邊坡的應(yīng)力和應(yīng)變?cè)诠?jié)理面處產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，由此可以看出節(jié)理面是巖石邊坡的薄弱面，在地震作用下極易發(fā)生破壞。

2）地震作用下，節(jié)理面處的應(yīng)力、位移和震顫沿著節(jié)理面變化，節(jié)理面的應(yīng)力在底部的中間部位應(yīng)力最大，位移則是在節(jié)理面的轉(zhuǎn)折處產(chǎn)生集中的現(xiàn)象，而巖石邊坡在地震作用下的震顫則大小交替變化。

3）地震作用下，節(jié)理面角度α越大，則節(jié)理面處的滑移距離也越大；在整個(gè)地震作用的5s內(nèi)，節(jié)理面的滑移不是連續(xù)變化的，而是分成三個(gè)階段。地震作用的整個(gè)周期內(nèi)節(jié)理面的滑移只在特定的時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生滑移，在其他時(shí)間內(nèi)是能量聚集的過(guò)程。

參考文獻(xiàn)：

[1] 祁生文, 伍法權(quán), 劉春玲, 丁彥慧. 地震邊坡穩(wěn)定性的工程地質(zhì)分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2004, 23(16):2792-2797.

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[3] 林永亮, 李新星. 地震作用下節(jié)理巖體的抗震穩(wěn)定性分析[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2008, 25(5):103-106.

[4] 喬建平. 滑坡減災(zāi)理論與實(shí)踐[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1997.

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