門　妮

(中國地震局工程力學(xué)研究所, 哈爾濱150080)

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汶川地震背后山滑坡穩(wěn)定性與動力響應(yīng)分析

門妮

(中國地震局工程力學(xué)研究所, 哈爾濱150080)

2008年5月12日， 四川汶川發(fā)生了8.0級特大地震， 這是新中國成立以來破壞性最強(qiáng)、 波及范圍最廣、 誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的一次強(qiáng)烈地震。 此次地震震撼了整個中國， 引起了全世界的關(guān)注。 在距離震中約250 km， 坐落于背后山古滑坡體前緣堆積體之上的漢源老縣城， 出現(xiàn)了比周邊地區(qū)高出兩度的烈度異?，F(xiàn)象。 如此高的烈度異?，F(xiàn)象引起了廣大科研人員和政府相關(guān)部門的高度關(guān)注。 為了科學(xué)合理地解釋漢源老縣城高烈度異常的原因是否與背后山滑坡有關(guān)， 并進(jìn)一步探討地震作用下邊坡的穩(wěn)定性及動力響應(yīng)等問題， 本文對背后山滑坡開展了與地震相關(guān)的一系列研究。 本文的研究對推動這一領(lǐng)域的研究工作具有重要的理論和工程意義。

本文系統(tǒng)地歸納、 總結(jié)和評述了邊坡穩(wěn)定性的研究進(jìn)展， 對背后山滑坡的工程地質(zhì)條件進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查， 整理和分析了汶川特大地震背后山滑坡科學(xué)考察的全部資料。 在此基礎(chǔ)上， 通過有限元數(shù)值模擬， 對背后山滑坡的共振特性， 靜、 動力穩(wěn)定性以及動力響應(yīng)等進(jìn)行了計算和分析研究， 得到了若干有意義的結(jié)論， 主要研究成果如下：

(1) 對漢源縣的震害及背后山古滑坡進(jìn)行了科學(xué)考察。 在汶川特大地震發(fā)生后， 防災(zāi)科技學(xué)院科考組在中國地震局的統(tǒng)一指揮下， 負(fù)責(zé)漢源和北川的科考工作， 對漢源縣城背后山滑坡進(jìn)行了野外調(diào)查， 獲得了地形地貌、 地層巖性、 地質(zhì)構(gòu)造等詳細(xì)資料， 揭示了背后山有古滑坡存在， 圈定了古滑坡的邊界范圍， 明確了古滑坡的活動期次、 特征及現(xiàn)今穩(wěn)定性狀況。 調(diào)查分析結(jié)果顯示， 漢源老縣城位于背后山古滑坡體的前緣， 但并未發(fā)現(xiàn)古滑坡整體復(fù)活的跡象， 只在坡體后部出現(xiàn)了幾條張性裂縫。

(2) 建立了背后山滑坡的地質(zhì)模型、 力學(xué)模型和有限元計算模型。 選取典型的地質(zhì)剖面， 建立滑坡的地質(zhì)模型、 力學(xué)模型和計算模型， 并制定了計算方案。 提出4種安全系數(shù)的計算方法， 對背后山滑坡的靜力穩(wěn)定性進(jìn)行了計算和分析， 得到靜力安全系數(shù)為4.09。 結(jié)果表明， 在靜力條件下， 背后山滑坡是穩(wěn)定的， 同時為滑坡的地震穩(wěn)定性分析提供了初始的靜應(yīng)力場。

(3) 分析了背后山滑坡的共振特性。 分別通過ANSYS有限元模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析， 得到了邊坡體固有頻率和振型， 以及位移與頻率的關(guān)系(共振曲線)。 對比分析漢源縣附近強(qiáng)震臺站記錄到的地震動卓越周期， 我們發(fā)現(xiàn)， 滑坡的固有周期與其基本相近。 現(xiàn)場考察發(fā)現(xiàn)， 漢源老縣城坐落于背后山滑坡體前緣之上， 由此分析認(rèn)為， 可能是由于滑坡體發(fā)生共振而導(dǎo)致了汶川地震時漢源老縣城的高烈度異常。

(4) 計算和分析了背后山滑坡的地震穩(wěn)定性。 分別用擬靜力法和有限元動力時程分析法計算了地震作用下滑坡的安全系數(shù)， 重點(diǎn)是運(yùn)用后一種方法進(jìn)行計算、 分析和評價。 通過有限元動力時程分析， 得到滑坡在地震作用下的安全系數(shù)時程曲線， 通過分析給出了滑坡最小動力安全系數(shù)值為1.1， 由此判斷， 滑坡整體是穩(wěn)定的。 對于邊坡穩(wěn)定性評價， 本文提出可以根據(jù)安全系數(shù)最小值是否大于1， 邊坡關(guān)鍵點(diǎn)速度時程末段是否趨于零， 以及在地震動時程末段位移、 應(yīng)力矢量場大小幾個方面來判斷滑坡的穩(wěn)定性。 在判斷滑坡整體穩(wěn)定的情況下， 針對坡肩、 坡腳等關(guān)鍵部位， 提出從受力情況和振動速度兩方面對其進(jìn)行局部穩(wěn)定性的分析和判斷， 并計算了關(guān)鍵點(diǎn)處的安全系數(shù)。 計算和分析的結(jié)果表明， 汶川地震中漢源縣高烈度異常現(xiàn)象與滑坡滑動無關(guān)， 但在坡肩附近以及坡體上部小范圍內(nèi)有輕度的拉張開裂， 這與實(shí)際調(diào)查現(xiàn)象基本符合。

(5) 分析和討論了背后山滑坡的動力響應(yīng)， 以及地震動三要素對邊坡動力響應(yīng)的影響。 具體計算分析中， 本文在坡面上、 滑體內(nèi)、 滑面上、 坡體內(nèi)設(shè)置了32個監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行計算和分析。 計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)： 在坡面附近， 動力響應(yīng)加速度峰值相較于輸入地震動加速度峰值達(dá)到3倍以上， 即PGA放大系數(shù)達(dá)到3以上。 并且邊坡體各點(diǎn)PGA放大系數(shù)在豎向上隨高程增加而增大； 沿坡體坡面方向從左至右， PGA放大系數(shù)逐漸增大后緩慢減小。 坡體水平位移在豎向上隨高程增加而增大； 沿坡體坡面方向從左至右， 位移逐漸減小。 坡面陡坎對加速度、 位移響應(yīng)的突變效應(yīng)很明顯。 分析地震動三要素對坡體動力響應(yīng)的影響可以看出， 加速度、 位移動力響應(yīng)的絕對量隨輸入地震波振幅增大呈明顯的線性增長關(guān)系， 但位移、 加速度放大系數(shù)保持不變， 它們不受振幅的影響， 只取決于巖土體材料以及頻譜特性。 隨著輸入地震波頻率的增大， 坡面上各點(diǎn)的PGA放大系數(shù)減小， 位移峰值隨輸入地震波頻率的增大而減小。 持時對坡體加速度峰值響應(yīng)的影響不明顯。

綜上所述， 本文在背后山古滑坡工程地質(zhì)條件調(diào)查的基礎(chǔ)上， 建立了地質(zhì)模型、 力學(xué)模型和計算模型。 采用有限單元法對背后山滑坡進(jìn)行靜、 動力穩(wěn)定性分析、 共振特性分析、 動力響應(yīng)分析等方面的研究是可行并且有效的。 本文研究結(jié)果表明， 背后山滑坡在汶川特大地震中并沒有發(fā)生整體滑動， 只是在坡肩附近小范圍內(nèi)產(chǎn)生輕微的拉張開裂。 漢源縣老縣城高兩度的烈度異?，F(xiàn)象與背后山滑坡整體穩(wěn)定性無關(guān)， 與滑坡體共振產(chǎn)生劇烈振動有關(guān)， 坡面的加速度放大效應(yīng)非常明顯。 此外， 本文認(rèn)為， 對于避免地震作用下邊坡的失穩(wěn)問題， 可以通過分析邊坡響應(yīng)變化趨勢、 響應(yīng)最明顯的位置以及產(chǎn)生共振反應(yīng)的頻率段等相關(guān)特征給出相應(yīng)的抗震措施。

關(guān)鍵詞汶川地震； 背后山滑坡； 動力分析； 安全系數(shù)； 共振

(作者電子信箱， 門妮： niar1982@126.com)

中圖分類號：P642.22；

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.04.013