寇 昊李 寧郭雙楓

(1.核工業(yè)西南勘察設(shè)計研究院有限公司,四川成都 610061;2.西安理工大學(xué)巖土工程研究所,陜西西安 710048)

目前常用的邊坡地震穩(wěn)定性分析方法主要有擬靜力法、滑塊分析法、數(shù)值模擬和試驗法等。許多學(xué)者結(jié)合實際工程對這些方法進行了改進及應(yīng)用,如:祝荃芃等[1鄄2]對擬靜力法進行了改進;陳春舒等[3]通過改進Newmark滑塊位移法得到更符合實際的計算結(jié)果;言志信等[4]采用FLAC有限差分軟件、鄭允等[5]采用UDEC離散元軟件、黃潤秋等[6]采用PFC顆粒流軟件、李書兵等[7]采用ANSYS有限元軟件、Tang等[8]結(jié)合FEM 和DDA方法、劉蕾等[9]通過FLAC/PFC2D耦合計算,對巖質(zhì)邊坡的地震穩(wěn)定性及破壞機制進行了大量的數(shù)值模擬研究;李祥龍等[10]、范剛等[11]分別采用振動臺和離心機動力試驗,分析了巖質(zhì)邊坡的動力破壞特征。此外,AL鄄Homoud等[12]考慮不確定性因素,將概率算法引入到邊坡地震穩(wěn)定性計算之中。對于邊坡動力失穩(wěn)破壞的標志,鄭穎人等[13]認為潛在滑體位移突然增大、破裂面貫通以及計算中力和位移不收斂這3個條件同時滿足才能說明邊坡已經(jīng)破壞。

大量工程實踐表明,巖體的結(jié)構(gòu)特征控制著巖體工程的變形與破壞,對巖體的整體穩(wěn)定性起著決定性作用[14],因此從巖體結(jié)構(gòu)角度分析邊坡穩(wěn)定性具有極其重要的現(xiàn)實意義。本文依據(jù)GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》的巖體結(jié)構(gòu)劃分方式,按塊狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、碎裂狀結(jié)構(gòu)及散體狀結(jié)構(gòu)等4種結(jié)構(gòu)類型,綜述地震作用下巖體邊坡破壞機制和穩(wěn)定性的研究進展,總結(jié)了不同結(jié)構(gòu)巖體邊坡的地震破壞模式,以供潛在失穩(wěn)邊坡的治理提供參考。

1 巖體邊坡地震穩(wěn)定性的影響因素

關(guān)于邊坡動力響應(yīng)及穩(wěn)定性的研究始于20世紀20年代,但初期主要集中于土質(zhì)邊坡的研究。對巖體邊坡的動力研究則開始于20世紀70年代。巖體邊坡在地震動荷載作用下發(fā)生變形破壞,是由巖體自身結(jié)構(gòu)特征、所處的地質(zhì)環(huán)境(應(yīng)力場、滲流場、溫度場)以及地震動荷載特征(幅值、頻譜、持續(xù)時間及作用方向等)共同作用的結(jié)果,其中巖體結(jié)構(gòu)特征是內(nèi)因,所處的地質(zhì)環(huán)境是間接因素,地震作用是直接誘導(dǎo)因素[15]。

1.1 巖體結(jié)構(gòu)特征

巖體是由完整巖塊和復(fù)雜結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)組合而成的,其結(jié)構(gòu)面決定了巖體具有不同于其他天然材料的獨特屬性,即不連續(xù)性、各向異性與非均質(zhì)性。人們經(jīng)過多年的研究與實踐,對巖體變形程度和復(fù)雜性作了綜合概括,對巖體結(jié)構(gòu)進行了分類,并作為評價巖體質(zhì)量及穩(wěn)定狀態(tài)的定性指標[16]。Brady等[17]研究了巖體巖性和結(jié)構(gòu)對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響,并將巖體結(jié)構(gòu)總體劃分為六大類:完整型巖體、質(zhì)量等級極好巖體、質(zhì)量好的巖體、中等質(zhì)量巖體、質(zhì)量低的巖體和極差巖體,并提出了巖體破壞準則。孫廣忠[18]經(jīng)過多年的研究,發(fā)現(xiàn)巖體破壞受巖體結(jié)構(gòu)控制,提出了在巖體結(jié)構(gòu)控制下的7種破壞機制,還根據(jù)巖體的變形及地應(yīng)力特點將巖體劃分為4種類型。殷躍平[19]將三峽庫區(qū)邊坡結(jié)構(gòu)劃分為順層巖體邊坡、平緩軟硬互層邊坡、滑崩堆積體邊坡、溶塌角礫巖邊坡、層狀碎裂狀巖體邊坡等類型。Agliardi等[20鄄21]通過分析不同邊坡區(qū)段巖體的破壞特征,總結(jié)得出邊坡的整體破壞是由局部結(jié)構(gòu)控制的邊坡失穩(wěn)所導(dǎo)致,因此有必要進行巖體邊坡的損傷評估,進而更好地認識邊坡的潛在破壞模式。在地震動荷載作用下不同完整程度和不同堅硬程度的巖體動力響應(yīng)也存在很大的差異[22]。

1.2 地質(zhì)環(huán)境

地質(zhì)環(huán)境是指地質(zhì)體賦存的環(huán)境,主要包括地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力、地下水、溫度等環(huán)境要素。Koukouvelas等[23]通過航拍照片和地震測繪研究表明,希臘的斯科爾斯山(Skolis Mountain)的巖崩現(xiàn)象是長期的氣候和地質(zhì)構(gòu)造等因素造成的。Azhari等[24]主要考慮了地震參數(shù)和地質(zhì)力學(xué)特征,建立了一個地震動荷載所造成的露天礦山邊坡破壞的數(shù)據(jù)庫,通過數(shù)據(jù)分析得出雖然有利的河谷形狀和頂部風(fēng)化層的缺失使得露天礦山邊坡不太容易發(fā)生地震破壞,但過大的孔隙水壓力仍會造成破壞。地下水是滑坡發(fā)生的一個因素,傾斜地形的地震作用也是一個重要因素,Lo觃iciga等[25鄄26]建立了考慮地震動荷載和地下水共同作用下的邊坡安全系數(shù)和屈服系數(shù)的閉合方程,說明了地震動荷載和地下水共同作用下會發(fā)生液化以及黏土軟化的原因。在高地應(yīng)力和凍融循環(huán)的環(huán)境中,也會加劇邊坡的破壞[27鄄28]。

2 地震作用下巖體邊坡破壞機制及穩(wěn)定性

2.1 塊狀巖體邊坡

通常情況下,塊狀巖體邊坡未發(fā)育或較少發(fā)育結(jié)構(gòu)完整、傾向坡外的結(jié)構(gòu)面,邊坡整體穩(wěn)定性較好。但在地震動荷載作用下,巖體震裂松動,結(jié)構(gòu)面加劇擴展,抗剪強度也顯著降低,致使邊坡的整體穩(wěn)定性大幅降低。

地震作用下塊狀巖體邊坡的破壞模式及破壞過程受到坡高、坡角、巖體結(jié)構(gòu)面特征以及地震動荷載特征等因素的影響。Gibson等[29]基于簡化、離散、單塊模型的方案,采用二維單塊框架,提出了滑動破壞、傾倒破壞、坍塌破壞和約束傾倒破壞等4種塊狀巖體邊坡破壞模式的地震屈服加速度方程?；趬K體理論,郭杰[30]采用擬靜力法對淺層塊狀巖體邊坡穩(wěn)定性的研究表明,地震作用下不同方向的地震慣性力對邊坡塊體穩(wěn)定性影響不同,水平向的地震慣性力對邊坡穩(wěn)定性的影響更為明顯,易出現(xiàn)順層向的滑移破壞。廖少波[31]采用三維離散元軟件3DEC研究了結(jié)構(gòu)面特征對塊狀巖體邊坡穩(wěn)定性的影響,結(jié)果表明塊狀巖體邊坡的穩(wěn)定性受結(jié)構(gòu)面強度的控制,順傾結(jié)構(gòu)面傾角越大、結(jié)構(gòu)面起始位置越高,邊坡的地震動力響應(yīng)越大,穩(wěn)定性越差;結(jié)構(gòu)面發(fā)育越密集,巖體的完整性越差,邊坡的地震動力響應(yīng)就越強烈。滕光亮等[32]采用UDEC對含兩組節(jié)理的巖體邊坡進行了數(shù)值模擬,結(jié)果表明:地震作用下坡高和坡角越大邊坡穩(wěn)定性越差,節(jié)理夾角越大邊坡越穩(wěn)定,節(jié)理傾角大于坡角或傾角很小時,邊坡較穩(wěn)定;在地震作用初期,邊坡表面出現(xiàn)受拉破壞,沿著邊坡表面由下向上延伸;隨著地震作用的進行,破壞區(qū)逐漸向坡體內(nèi)部發(fā)展,邊坡下部的受拉破壞區(qū)域逐漸擴大且向坡體上部發(fā)展;地震作用后期,邊坡表面存在著強烈的拉裂作用,塑性受拉破壞區(qū)域發(fā)展到形成一個貫通的區(qū)域時,整個貫通區(qū)域上部的坡體便會發(fā)生滑塌破壞。

綜上所述,塊狀巖體邊坡在地震作用下的破壞過程是先在坡體表面出現(xiàn)受拉破壞,然后逐漸由坡體的上部向下部、表面向內(nèi)部發(fā)展延伸,直至受拉區(qū)向受剪區(qū)擴展形成貫通的區(qū)域,最終導(dǎo)致邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞,這是受拉和受剪的復(fù)合破壞過程。

2.2 層狀巖體邊坡

層狀巖體邊坡是被結(jié)構(gòu)面切割成層狀的一類巖體邊坡,一般按邊坡與巖層產(chǎn)狀關(guān)系劃分為順層巖體邊坡、反傾巖體邊坡及水平層狀巖體邊坡。層狀邊坡分布十分廣泛,大部分變質(zhì)巖和全部沉積巖均具有層狀結(jié)構(gòu),而地球表面分布最為廣泛的巖石就是沉積巖。地震作用下層狀巖體邊坡的破壞模式及破壞過程受到坡體形狀、層面特征以及地震動荷載特征等因素的影響[33]。

2.2.1 順層巖體邊坡

對于順層巖體邊坡,尤其當(dāng)巖層傾角大于邊坡傾角時,在自重、外界擾動、降雨等作用下邊坡非常容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。對于順層巖體邊坡的動力響應(yīng)研究,董金玉等[34]通過大型振動臺模型試驗,發(fā)現(xiàn)順層巖體邊坡隨著邊坡高程增加,加速度放大系數(shù)增加的速度加快,在坡體同一高程上,邊坡表面加速度放大系數(shù)大于坡體內(nèi)部。汪茜[35]采用UDEC對地震造成的順層節(jié)理巖體邊坡的變形破壞規(guī)律進行了數(shù)值模擬,結(jié)果表明邊坡的變形破壞程度隨坡角和層面傾角的增大而增大。李祥龍等[36]通過FLAC/PFC2D耦合動力計算,發(fā)現(xiàn)非貫通層面部分的強度和層面貫通率對順層巖體邊坡地震穩(wěn)定性影響顯著,而貫通層面部分的抗剪強度對順層巖體邊坡地震穩(wěn)定性和破壞范圍的影響較小,只有在順層巖體邊坡內(nèi)部所有巖層層面均完全貫通的前提下才成為影響邊坡穩(wěn)定性的主導(dǎo)因素。丁梓涵等[37]采用FLAC3D對不同巖層傾角的順層巖體邊坡的數(shù)值模擬表明,當(dāng)巖層傾角小于軟弱巖層內(nèi)摩擦角時,邊坡表面峰值位移較小且變化規(guī)律受巖層傾角影響不明顯;當(dāng)巖層傾角大于軟弱巖層內(nèi)摩擦角且小于30毅時邊坡表面峰值位移增大,大于60毅時減小。馮志仁等[38]對含軟弱夾層的順層巖體邊坡的研究表明,地震動峰值加速度、頻率和初動方向?qū)吰卤砻娣糯笮?yīng)的影響較大,隨著地震動峰值加速度的增大,放大效應(yīng)由軟弱夾層之上的邊坡表面及坡頂向坡肩逐漸增大,坡肩的放大效應(yīng)最大。言志信等[4]對豎向和水平向地震耦合作用下的動力響應(yīng)分析表明,地震豎向和水平向耦合作用比簡單水平向振動更加貼近實際,破壞性更大。

對地震作用下順層巖體邊坡的破壞模式及破壞過程,艾暢等[39]通過水下爆炸模擬近場地震,發(fā)現(xiàn)在近場地震作用下主要表現(xiàn)為層間滑移破壞,由于應(yīng)力波的作用,層間界面弱化,黏聚力及內(nèi)摩擦角減小,導(dǎo)致坡體失穩(wěn)。李祥龍等[10]的離心機動力試驗結(jié)果表明,順層巖體邊坡的地震穩(wěn)定性和破壞機制受結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征控制,含有次級節(jié)理的邊坡動力穩(wěn)定性更低,產(chǎn)生張拉破壞導(dǎo)致巖體內(nèi)部解體,非貫通層面部分產(chǎn)生剪切破壞使層面貫通。范剛等[40]對順層巖體邊坡采用能量判識方法分析,發(fā)現(xiàn)邊坡的損傷首先出現(xiàn)在坡肩位置,隨后隨著地震動強度的增大,損傷向低高程轉(zhuǎn)移;含軟弱夾層的順層巖體邊坡的破壞主要表現(xiàn)為邊坡后緣垂直的拉裂和沿邊坡中上部軟弱夾層的剪切滑動,邊坡的破壞模式為拉裂-滑移-崩落式。言志信等[41]通過FLAC3D數(shù)值模擬研究表明,地震作用下順層巖體邊坡變形破壞主要受軟弱夾層控制,表現(xiàn)為軟弱結(jié)構(gòu)面上部受拉破壞與下部剪切破壞。

2.2.2 反傾巖體邊坡

對于反傾巖體邊坡,其沿層面方向沒有滑動變形的空間,不易形成貫通滑面,一般認為較為穩(wěn)定。對于反傾巖體邊坡的地震穩(wěn)定性研究,張沫[42]采用FLAC3D對反傾巖體邊坡進行了動力分析,得出反傾巖體邊坡加速度放大系數(shù)極值會隨著坡高的增加先增大后減小,隨著坡角的增大而增大,隨著巖層傾角的增大而減小的結(jié)論。陳臻林等[43]對含不同角度和厚度軟弱夾層的反傾巖體邊坡地震穩(wěn)定性研究結(jié)果表明,地震波經(jīng)過軟弱夾層后,邊坡上部巖體對地震波的放大作用會減弱,隨軟弱夾層反傾角度的增大,邊坡動力響應(yīng)的變化規(guī)律是先增大后減小。李祥龍等[44]的離心機動力試驗結(jié)果表明,含有次級節(jié)理的反傾巖體邊坡地震穩(wěn)定性明顯低于不含次級節(jié)理的反傾巖體邊坡。楊國香等[45]的振動臺模型試驗結(jié)果表明,當(dāng)?shù)卣鸩l率越接近坡體自振頻率時,加速度放大越明顯。范剛等[11]對含泥化夾層的順層和反傾巖體邊坡的研究表明,反傾巖體邊坡坡體內(nèi)部加速度放大系數(shù)整體上大于順層巖體邊坡。

地震作用下反傾巖體邊坡的破壞模式及破壞過程研究方面,楊國香等[45]通過振動臺模型試驗得出反傾巖體邊坡在地震作用下的破壞過程為:地震誘發(fā)坡頂結(jié)構(gòu)面張裂、坡體淺表層結(jié)構(gòu)面張開、淺表層結(jié)構(gòu)面張開數(shù)量增加并出現(xiàn)塊體剪斷現(xiàn)象、坡體表層及中上部結(jié)構(gòu)松動并出現(xiàn)貫通裂縫。劉云鵬等[46]采用UDEC模擬了反傾軟硬互層巖體邊坡,結(jié)果表明地震作用下軟弱巖層向外剪出,帶動上部的巖體向外張拉,形成貫通的滑移面,進而使得邊坡發(fā)生傾倒滑移破壞。李祥龍等[44]的離心機動力試驗結(jié)果表明,不含次級節(jié)理的反傾巖體邊坡破壞從坡腳開始依次向后產(chǎn)生巖層的彎折破壞,而含有次級節(jié)理的反傾巖體邊坡破壞從坡體中后部開始依次向坡腳巖層產(chǎn)生貫通破壞,貫通破壞面傾角明顯高于不含次級節(jié)理的反傾巖體邊坡,并且呈明顯的臺階狀。劉蕾等[9]對反傾巖體邊坡的數(shù)值模擬結(jié)果表明,地震破壞過程中,坡體內(nèi)部層面主要發(fā)生剪切破壞,邊坡頂部出現(xiàn)少量張拉破壞;含正交次級節(jié)理的邊坡坡頂產(chǎn)生張拉破壞,而坡底既產(chǎn)生張拉破壞,也產(chǎn)生剪切破壞。

2.2.3 水平層狀巖體邊坡

對于水平層狀巖體邊坡的地震穩(wěn)定性研究,侯紅娟等[47]通過大型振動臺試驗,得出不同地震荷載條件下,水平層面結(jié)構(gòu)均對豎向地震波的影響較為顯著的結(jié)論。周飛等[48]對含水平軟弱夾層的巖體邊坡試驗結(jié)果表明,軟弱夾層對邊坡的動力響應(yīng)影響也因激勵方向不同而有所區(qū)別,水平向激勵的動力響應(yīng)有一定的放大作用,而對豎向激勵的動力響應(yīng)則會吸收減弱;在相同的地震動荷載激勵下,軟弱夾層以下邊坡表面的豎向放大系數(shù)大于水平向,夾層以上則相反。周劍等[49]采用UDEC模擬了水平層狀巖體邊坡在不同頻率垂向壓縮應(yīng)力波作用下邊坡的動力響應(yīng),結(jié)果表明坡頂垂向峰值加速度大小呈周期性變化,輸入應(yīng)力波頻率越大該變化頻次越高,低頻應(yīng)力波作用下,水平層狀巖體邊坡坡頂?shù)拇瓜蚍逯导铀俣容^均質(zhì)邊坡的增加值隨坡高增加而增大;較高頻率應(yīng)力波作用時,邊坡頂部靠近邊坡表面的垂向峰值加速度高于均質(zhì)邊坡,遠離邊坡表面時則相反。

地震作用下水平層狀巖體邊坡的破壞模式及破壞過程研究方面,侯紅娟等[47]的振動臺模型試驗結(jié)果表明,地震作用下水平層狀邊坡變形破壞以拉裂-剪切滑移為主,硬巖邊坡主要以豎向拉壓作用為主,而軟巖邊坡則是水平拉剪作用顯著。胡訓(xùn)健等[50]采用PFC2D模擬了不同節(jié)理間距的含水平斷續(xù)節(jié)理的層狀巖體邊坡在地震作用下的破壞模式,結(jié)果表明:當(dāng)節(jié)理間距較小時,發(fā)生潰散型破壞;當(dāng)節(jié)理間距較大時,發(fā)生拉裂滑移塊體傾倒破壞和拉裂-水平滑移混合破壞。鄒威等[51]對不同巖性組合的水平層狀巖體邊坡進行了試驗研究,發(fā)現(xiàn)水平層狀邊坡破壞受層面控制,主要發(fā)生在頂部尤其是靠近坡肩部位,呈拉裂-剪切 滑移式破壞;在相同地震波作用下,上軟下硬邊坡主要是頂層巖體震碎而呈散體狀滑落,而上硬下軟邊坡主要是巖層后緣拉裂而發(fā)生整體剪切錯動。

綜上所述,層狀巖體邊坡在地震作用下的破壞模式可總結(jié)為:淤順層巖體邊坡。地震作用下層間界面弱化,抗剪強度降低,主要發(fā)生層間滑移破壞;非貫通層面的順層巖體邊坡非貫通部分產(chǎn)生剪切破壞,含有次級節(jié)理的順層巖體邊坡產(chǎn)生張拉破壞;含有軟弱夾層的順層巖體邊坡,表現(xiàn)為軟弱結(jié)構(gòu)面上部張拉破壞與下部剪切破壞。于反傾巖體邊坡。地震作用下坡體內(nèi)部主要發(fā)生彎折-剪切破壞,坡頂出現(xiàn)少量張拉破壞;含有次級節(jié)理的反傾巖體邊坡,坡頂產(chǎn)生張拉破壞,而坡底既產(chǎn)生張拉破壞,也產(chǎn)生剪切破壞;含有軟弱夾層的反傾巖體邊坡,帶動上部巖體向外張拉,發(fā)生傾倒滑移破壞;含有下伏軟巖的反傾巖體邊坡后緣部位更易拉裂。盂水平層狀巖體邊坡。地震作用下主要以拉裂-剪切滑移破壞為主,軟巖邊坡以水平拉剪為主,硬巖邊坡以豎向拉壓為主;上軟下硬巖體邊坡主要是頂層巖體震碎而呈散體狀滑塌破壞,上硬下軟巖體邊坡主要是巖層后緣拉裂而發(fā)生整體剪切崩塌破壞。

2.3 碎裂狀巖體邊坡

碎裂狀結(jié)構(gòu)巖體是工程中常見的不良巖體,穩(wěn)定性較差。對于碎裂狀巖體邊坡的破壞模式和破壞過程研究,崔圣華[52]通過室內(nèi)物理試驗發(fā)現(xiàn),碎裂巖體震動后密度降低率達10%,存在擴容現(xiàn)象;基于PFC顆粒流軟件的巖石動力剪切試驗表明,碎裂滑帶的抗剪強度隨正應(yīng)力的增加而降低,穩(wěn)定性隨時間呈波狀遞減變化。黃潤秋等[6]對“5·12冶汶川地震觸發(fā)的大光包滑坡的研究表明,強震滑帶碎裂化現(xiàn)象存在且伴隨擴容效應(yīng);采用物理模擬和PFC數(shù)值模擬驗證了強震中滑帶的碎裂和擴容過程:滑帶巖體的碎裂降低了滑帶的摩阻力,擴容使地下水強力擠入擴容空間,從而可能激發(fā)水擊作用機制,導(dǎo)致孔隙水壓力激增,滑帶抗剪能力急劇降低,從而促使滑坡驟然啟動,產(chǎn)生高速滑動。周君波[53]的巖體動力學(xué)試驗表明,碎裂狀結(jié)構(gòu)巖體的動力破壞以沿著結(jié)構(gòu)面的張拉破壞為主,巖體片理面對巖體的破壞起控制性作用;采用UDEC對碎裂狀巖體邊坡動力破壞過程的數(shù)值模擬結(jié)果表明,地震會造成結(jié)構(gòu)面的累積損傷,加速結(jié)構(gòu)面的擴展、貫通,導(dǎo)致邊坡巖體沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生張拉破壞,巖體破碎滑落或者被拋出。趙偉華等[54]分析了碎裂狀結(jié)構(gòu)巖體的崩塌機理,指出碎裂狀巖體邊坡崩塌過程可分為應(yīng)力重分布、潛在崩塌體形成和地震誘發(fā)崩塌3個階段。

綜上所述,地震作用下碎裂狀巖體邊坡先是在結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生損傷累積,巖體沿著結(jié)構(gòu)面發(fā)生張拉破壞,并伴隨著擴容效應(yīng)進一步破碎,從而降低了巖體抗剪強度,最終導(dǎo)致巖體破碎滑落甚至拋出。

2.4 散體狀巖體邊坡

散體狀巖體邊坡一般呈碎裂、松散狀,節(jié)理、裂隙極其發(fā)育,自穩(wěn)能力較差。對于散體狀巖體邊坡的破壞模式和破壞過程研究,姜立春等[55]通過淺層振動波在散體狀巖體邊坡中的傳播測試試驗得出,黏彈性散體介質(zhì)波的衰減與頻率正相關(guān);介質(zhì)的密度差、孔隙度、充填物、透過因子是振動波衰減的關(guān)鍵因素。張曉暉[56]采用FLAC模擬了破碎巖體和人工堆渣復(fù)合高邊坡的動力穩(wěn)定性,結(jié)果表明:對于破碎巖體邊坡,水平方向上從邊坡表面向坡內(nèi)以及垂直方向上隨著高程的增加,位移、速度、加速度放大系數(shù)略有增大;對于人工堆渣邊坡,則有所減小,但均比坡腳處有所增大。葉袁坤[57]對山區(qū)高速公路巖堆邊坡的動力分析表明:邊坡永久位移隨著頻率的增加反而降低;隨著振幅的增加,永久位移明顯增大;隨著坡高的增加并非單調(diào)增大,而存在一個臨界的坡高(100 m左右),當(dāng)坡高大于臨界坡高時,永久位移隨著坡高的增加反而下降;當(dāng)坡角小于60毅時,隨著坡角的增加,永久位移明顯增大,當(dāng)坡角大于60毅時,對邊坡的永久位移影響不大。Zhang等[58]對土石堆積層斜坡的地震擾動分析表明,地震動峰值加速度的提高對堆積體累積塑性變形有顯著影響,對堆積體穩(wěn)定狀態(tài)有較強的擾動效應(yīng);土工離心模型試驗結(jié)果表明,隨著震松坡體損傷程度增大,其應(yīng)力與位移場于震后短期的調(diào)整幅度將相應(yīng)提高。張元才等[59]通過物理模擬試驗,證實了細顆粒層在溜砂坡大規(guī)模失穩(wěn)的主控作用,認為動力失穩(wěn)機制是在地震動荷載強烈作用下,細顆粒層抗剪強度相對較低,使坡體沿細顆粒層發(fā)生大規(guī)模的滑塌。

綜上所述,由于散體狀巖體邊坡自穩(wěn)能力較差,在地震作用下散體被震碎、震松,使得抗剪強度降低,進而造成滑塌破壞。

3 研究展望

地震作用下巖體邊坡破壞機制及穩(wěn)定性受到邊坡本身的幾何形態(tài)、巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)特征以及地震動特征等多種因素的影響,是一個非常復(fù)雜的問題。雖然前人對巖體邊坡的地震穩(wěn)定性及破壞機制做了大量研究,取得了一定成果,但由于對巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)認識不足及其他因素的影響,未能從巖體結(jié)構(gòu)角度進行全面詳細地研究,今后可從以下幾個方面做進一步探討:

a.深入研究地震動空間變化對巖體邊坡變形與穩(wěn)定的影響。已有研究主要集中在地震動荷載的峰值、頻率、持時以及地震動方向等方面,然而考慮行波效應(yīng)、相干效應(yīng)及場地效應(yīng)等引起的地震動空間變化,可以更全面認識地震動荷載對邊坡穩(wěn)定性的影響。

b.加強巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征研究。巖體結(jié)構(gòu)對地震波具有散射作用,決定了巖體邊坡的動力響應(yīng)特征。通過利用地質(zhì)雷達探測技術(shù)與真三維鉆孔成像技術(shù)的互補優(yōu)勢,可以更加準確探測出巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的發(fā)育情況。

c.提高物理模型試驗的準確性。物理模型試驗由于尺度效應(yīng)、邊界效應(yīng)、數(shù)據(jù)采集的準確性以及試驗中未考慮到的因素等影響,導(dǎo)致結(jié)果與工程實際存在一定偏差。采用現(xiàn)場試驗或者更能反映實際重力場的離心機試驗,可以得到更接近實際的地震作用效果,更清晰的邊坡破壞模式。

d.考慮地下水和地震動荷載共同作用的影響。地下水和地震動荷載都是誘導(dǎo)滑坡產(chǎn)生的重要因素,然而考慮地下水對散體狀巖體邊坡和部分碎裂狀巖體邊坡的劣化作用以及水壓力驅(qū)動作用的研究較多,考慮地震動荷載作用的研究卻較少,對于塊狀巖體邊坡和層狀巖體邊坡的研究更少。在巖體邊坡的變形和穩(wěn)定性分析中,同時考慮地下水和地震動荷載,將會更好地反映巖體邊坡的破壞機制。

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