地震作用下邊坡破壞機制的flac分析

地震作用下邊坡破壞機制的flac分析

1地震邊坡穩(wěn)定性分析地震引起的斜坡滑動是地震災(zāi)害的主要類型之一。在山區(qū)和山區(qū)，地震帶來的斜坡分布廣泛，數(shù)量眾多，破壞較大。5.12汶川大地震誘發(fā)了大量的滑坡,造成了巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。據(jù)統(tǒng)計,汶川地震滑坡造成的次生災(zāi)害損失占整個地震損失的約1/3。地震邊坡穩(wěn)定性分析已成為巖土工程界和地震工程界的重要課題之一。在邊坡穩(wěn)定性分析中,首先要知道邊坡的破壞機制,弄清破裂面的性質(zhì)和位置。在當(dāng)前地震邊坡動力穩(wěn)定性分析中,一般仍然假定邊坡是剪切破壞[1~5],通過極限平衡分析搜索得到邊坡滑移面并求得安全系數(shù),以此評價地震邊坡的穩(wěn)定性[6~8]。然而5.12汶川地震邊坡破壞現(xiàn)象的調(diào)查發(fā)現(xiàn):滑坡上部多數(shù)發(fā)生拉破壞,甚至有些巖土體被拋出[9~11],這是一個很好的啟示,為此,必須弄清地震邊坡在動力作用下破裂面的性質(zhì)與位置,在此基礎(chǔ)上,才能更加準(zhǔn)確的評價地震邊坡的穩(wěn)定性。本文利用FLAC動力強度折減法結(jié)合具有拉和剪切破壞分析功能的FLAC3D軟件分別分析了具有風(fēng)化層的巖質(zhì)邊坡和土質(zhì)邊坡在地震作用下的破壞機制,主要分析了不同時刻邊坡拉破壞區(qū)和剪切破壞區(qū)的情況,探討了地震邊坡破壞機制、過程,明確了破裂面性質(zhì)與位置,為地震邊坡動力穩(wěn)定性分析提供了更加可靠的基礎(chǔ)。2flac動態(tài)強度轉(zhuǎn)換方法的總結(jié)2.1基于剪切強度和強度折減的邊坡強度分析方法靜力下的有限元強度折減法是將邊坡體的抗剪強度指標(biāo)c和tan?分別折減ω,折減為c/ω和tan?/ω,使邊坡達到極限平衡狀態(tài),此時邊坡的折減系數(shù)即為安全系數(shù)。目前該方法在靜力條件下,已經(jīng)非常成熟。在FLAC中同樣可以采用強度折減法計算邊坡的安全系數(shù)。當(dāng)前,地震邊坡破壞機制借用靜力下邊坡破壞機制,認為地震邊坡破壞的主要原因是巖土體的剪切破壞,而忽視了巖土體的拉破壞對邊坡破壞的影響,與汶川地震邊坡破壞現(xiàn)象不符,實際上邊坡破壞是滑動巖土體受拉和受剪的復(fù)合破壞作用,特別是邊坡體在地震動往復(fù)運動中,邊坡巖土體更易發(fā)生拉破壞,故邊坡地震動破壞分析除了要考慮邊坡體的剪切破壞,還要考慮邊坡體的拉破壞。為此本文在進行強度折減的時候既考慮了剪切強度參數(shù)的折減,又考慮了抗拉強度參數(shù)的折減:式中:σt為折減前的巖土體抗拉強度;c′,?′,σt′分別為折減后巖土體黏聚力、內(nèi)摩擦角和抗拉強度。本文采用以下方法進行地震邊坡的破壞機制分析:施加地震荷載進行FLAC動力分析,采用式(1),(2)逐漸降低邊坡或者軟弱結(jié)構(gòu)面上的強度參數(shù),直到獲得地震邊坡的破裂面,以分析破裂面性質(zhì)與位置。2.2邊坡破壞標(biāo)志—動力邊坡破壞條件探討目前,靜力條件下邊坡破壞3個條件:以塑性區(qū)或者等效塑性應(yīng)變從坡腳到坡頂貫通作為邊坡整體失穩(wěn)的標(biāo)志;以土體滑移面上應(yīng)變和位移發(fā)生突變作為標(biāo)志;以有限元靜力平衡計算不收斂作為邊坡整體失穩(wěn)的標(biāo)志。靜力計算時,塑性區(qū)貫通是邊坡破壞的必要條件,但不是充分條件,土體滑移面上應(yīng)變和位移發(fā)生突變是邊坡破壞的標(biāo)志,相應(yīng)有限元計算不收斂。FLAC應(yīng)用靜力強度折減計算邊坡的安全系數(shù)時采用計算不收斂作為邊坡破壞的標(biāo)志。本文進行邊坡動力失穩(wěn)破壞分析時,認為也可以從這3方面綜合判斷破壞是否處于破壞狀態(tài):首先看破裂面是否貫通,然后看潛在滑體位移是否突然增大,但考慮到邊坡在地震作用下處于振動狀態(tài),地震荷載是變化的,因而位移也會隨之發(fā)生突變,所以與靜力問題不同,單憑位移突變尚難以判斷破壞,還必須考慮計算中力和位移是否收斂。如果上述3個條件都滿足就可以判斷滑坡已經(jīng)破壞。本文主要研究破裂面的性質(zhì)與位置,有關(guān)邊坡動力穩(wěn)定性分析將在以后進行研究,因此,本文將邊坡參數(shù)折減至獲得動力破裂面即可,不需要知道此時邊坡是否動力失穩(wěn)破壞,對應(yīng)的折減系數(shù)也不是邊坡的動力穩(wěn)定性系數(shù)。3破裂面的地震反應(yīng)本文通過風(fēng)化巖質(zhì)邊坡和土坡2個算例,分別分析其在地震作用下破壞時單元破壞狀態(tài)、位移和剪應(yīng)變增量、節(jié)理單元的接觸狀態(tài)等,據(jù)此確定破裂面的性質(zhì)和位置。3.1flac3計算坡面有風(fēng)化層的巖質(zhì)邊坡,如圖1所示。邊坡高度為30m,坡角為45°,風(fēng)化層高度為20m,巖體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。輸入的水平地震波為截取的一段20s的集集地震波,相應(yīng)的水平加速度峰值為7.05m/s2,輸入的水平向加速度–時間曲線如圖2所示。FLAC3D計算時巖體材料為彈塑性材料,采用Mohr-Coulomb強度準(zhǔn)則,邊界條件采用自由場邊界,阻尼采用局部阻尼,阻尼系數(shù)為0.15,先進行靜力計算,后進行動力計算。邊界范圍至少滿足靜力條件下的計算精度,本算例計算邊界:坡腳到左端邊界的距離為坡高的1.5倍,坡頂?shù)接叶诉吔绲木嚯x為坡高的2.5倍,上下邊界總高為坡高2倍。3.2風(fēng)化巖質(zhì)邊坡破壞機制風(fēng)化層巖質(zhì)邊坡在輸入地震波作用的過程中,邊坡巖土體塑性狀態(tài)、位移和應(yīng)變必將隨之發(fā)生變化,本節(jié)通過分析風(fēng)化巖質(zhì)邊坡巖體和風(fēng)化層參數(shù)折減系數(shù)均為1時不同時刻單元破壞狀態(tài)、剪應(yīng)變增量和位移云圖、巖層分界面設(shè)置的節(jié)理單元接觸狀態(tài),以得到風(fēng)化巖質(zhì)邊坡在地震作用下破壞機制和確定破裂面位置。3.2.1單元間接觸單元的確定圖3為不同時刻巖質(zhì)邊坡塑性區(qū),如圖3(a)所示,t=4.0s時風(fēng)化層上部靠近巖層分界面處兩個單元發(fā)生拉剪破壞,一個單元發(fā)生拉破壞,風(fēng)化層下部靠近分界面位置,單元發(fā)生剪破壞,邊坡僅在風(fēng)化層中坡頂平面靠近巖層分界面處局部發(fā)生了拉破壞。如圖3(b)所示,t=8.0s時滑體上部拉破壞的單元逐漸增多,滑體上大部分單元都發(fā)生拉破壞或者剪破壞,發(fā)生拉破壞和剪破壞的單元集中在風(fēng)化層中巖層分界面的上部,顯然,風(fēng)化層上部發(fā)生拉破壞的深度在增加。風(fēng)化層中只有個別單元既沒有發(fā)生拉破壞也沒有發(fā)生剪破壞。如圖3(c)所示,t=12.5s時輸入的地震波達到峰值,邊坡風(fēng)化層中除個別單元發(fā)生剪破壞以外,絕大部分單元都發(fā)生拉破壞和剪破壞,并在巖層分界面上部發(fā)生拉裂縫。如圖3(d)所示,t=16.0s時塑性狀態(tài)可以看出風(fēng)化層部分所有的單元都發(fā)生拉破壞和剪破壞,并且?guī)r層分界面上部裂縫擴大并向下發(fā)展,由于風(fēng)化層和基巖在FLAC劃分網(wǎng)格時擁有相同的節(jié)點,有限元計算時位移一致,故滑體由于拉破壞形成裂縫不能反映真實情況下拉裂縫,實際上拉破壞形成的拉裂縫會比圖中顯示的更明顯,滑體上部與基巖之間將完全拉開,這個問題將在下面通過在分界面處設(shè)置接觸單元進一步的分析。如圖3(e)所示,t=20.0s時裂縫擴大到滑體上部靠近巖層分界面處所有單元,并且所有的單元都發(fā)生拉破壞和剪破壞。從不同時刻的單元的破壞狀態(tài)可以看出,在地震荷載的作用下,邊坡上部單元先發(fā)生拉破壞,并在巖層分界面上部產(chǎn)生拉裂縫,邊坡下部單元先發(fā)生剪破壞,隨著地震的持續(xù)作用,拉裂縫的深度增大,潛在滑體上所有的單元發(fā)生拉破壞和剪破壞。3.2.2拉破壞的形成與變形如果邊坡發(fā)生破壞,滑體部位相對于不滑部位必將產(chǎn)生較大的相對位移,本算例中在風(fēng)化層潛在滑體部位選取一個關(guān)鍵點,其相對于未滑部分一點的相對位移–時間曲線如圖4所示。從圖4可以看出,相對位移在t=12.5s時發(fā)生較大突變,與峰值圖5為不同時刻巖質(zhì)邊坡剪應(yīng)變增量云圖。如圖5(a)所示,從t=4.0s時剪應(yīng)變增量云圖可以看出,靠近巖層分界面處,剪應(yīng)變較小,最大只有3×10-5,此時剪切破壞形成的塑性區(qū)沒有貫通,通過前面單元破壞狀態(tài)分析,邊坡也只在風(fēng)化層中坡頂平面靠近巖層分界面處局部發(fā)生了拉破壞,綜合以上判斷拉剪破裂面還沒有形成。如圖5(b)所示,從t=8.0s時剪應(yīng)變增量云圖來看,剪切破壞形成的塑性區(qū)沒有貫通,但是通過前面單元破壞狀態(tài)分析,t=8.0s時風(fēng)化層中周邊單元都發(fā)生拉破壞或者剪破加速度時刻相對應(yīng),突變后,相對位移繼續(xù)增大,此時邊坡有可能失穩(wěn)破壞,但還不足以判斷邊坡已經(jīng)整體失穩(wěn),也可能還處于穩(wěn)定狀態(tài)。如果邊坡已經(jīng)整體失穩(wěn),那么邊坡破壞主要發(fā)生在t=12.5~16.0s,是一個過程,而不是在某一時刻完成。壞,綜合判斷已經(jīng)形成貫通的破裂面,其中破裂面上部為拉破壞,下部為剪切破壞形成的滑移帶,但此時邊坡并沒有破壞,這點和靜力邊坡有限元分析相同,破裂面貫通也不能作為邊坡動力失穩(wěn)的有限元判據(jù)。從圖5(c)中t=12.5s時剪應(yīng)變增量云圖來看,剪破壞形成的塑性區(qū)沒有貫通,但結(jié)合前面單元破壞狀態(tài)分析,巖層分界面上部發(fā)生拉裂縫,此時拉破壞和剪切破壞組成的破裂面已經(jīng)貫通。從t=16.0s和20.0s時剪應(yīng)變增量云圖(見圖5(d),(e))可以看出,剪切滑移帶與拉裂縫形成的破裂面更加明顯。從圖6(a)中t=12.5s時的水平位移云圖也可以明顯看到貫通的破裂面,破裂面有上部拉裂縫和下部剪切滑移帶組成。地震作用完畢時t=20.0s的水平位移云圖(見圖6(b))也可以清晰地看到由拉裂縫和剪切滑移帶組成的貫通的破裂面。從不同時刻的位移和剪應(yīng)變增量可以看出,隨著地震的持續(xù)作用,剪切破壞逐漸由坡腳向上發(fā)展,上部拉裂縫的深度逐漸增加,直到拉裂縫與剪切滑移帶形成貫通的破裂面,并且可以發(fā)現(xiàn)地震作用下邊坡破壞往往是一個過程,而不是在某時刻完成。3.2.3.0s時接觸單元的非接觸狀態(tài)為了更好地分析風(fēng)化層巖質(zhì)邊坡動力作用中的破壞過程,在風(fēng)化層與基巖之間設(shè)置接觸單元,地震動作用下不同時刻接觸單元的接觸情況如圖7所示。從圖7可以看出,施加地震動荷載后,t=4.0s時接觸單元大部分都是接觸狀態(tài),只有在靠近坡頂平面和坡腳處于非接觸狀態(tài),主要是重力的作用影響較大,接觸單元上部拉裂,同時滑體會產(chǎn)生向下的滑動,坡腳處位移最大,所以坡腳也處于非接觸狀態(tài)。但是從t=8.0s開始,滑體上部的接觸單元全部處于非接觸狀態(tài),滑體下部的接觸全部處于接觸狀態(tài)。主要是由于地震動作用將滑體上部接觸全部拉裂,同時產(chǎn)生向下的滑動,故滑體下部不分離。這同樣說明了風(fēng)化層巖質(zhì)邊坡在地震動力作用下的破壞是由滑體上部拉破壞,下部剪切破壞共同組成。破裂面由拉破壞形成的裂縫和剪切破壞形成的剪切滑移帶共同組成。3.3移帶連接起來根據(jù)節(jié)3.2的分析,破裂面由拉裂縫和剪切滑移帶共同組成,將受拉裂縫和剪切破壞區(qū)形成的滑移帶連接起來就是該巖質(zhì)邊坡動力作用下的破裂面,如圖8所示。從圖8可以看出,動力作用下的破裂面和巖層分界線十分接近,這與祁生文等的研究中滑體基本上沿著巖層分界線滑動的結(jié)論一致。風(fēng)化層巖質(zhì)邊坡動力失穩(wěn)基本上是風(fēng)化層的破壞,這也和汶川地震滑坡現(xiàn)場調(diào)查研究得出的結(jié)論一致。4對土壤侵蝕動態(tài)破壞機制的分析4.1flac3靜力計算均質(zhì)土坡,邊坡高度為20m,坡角為45°,剪切模量為29.8MPa,體積模量為64.5MPa,抗拉強度為0,重度為20kN/m3,黏聚力為40kPa,內(nèi)摩擦角為20°,地震作用參數(shù)采用人工合成的地震波,相應(yīng)的水平加速度峰值ahmax=1.29m/s2,作用時間為t=16.0s。輸入的水平向加速度–時間曲線如圖9所示。在進行動力計算之前先進行靜力計算。FLAC3D計算時土體材料為彈塑性材料,采用Mohr-Coulomb強度準(zhǔn)則,邊界條件采用黏滯邊界加上自由場邊界,阻尼采用局部阻尼,阻尼系數(shù)為0.15。為了模擬剪切波向上傳播對邊坡動力破壞的作用,動力荷載從邊坡底部輸入,由于底部動力計算邊界采用了黏滯邊界,故輸入動力荷載時首先將加速度時程轉(zhuǎn)化成速度時程,再進一步轉(zhuǎn)化成應(yīng)力時程,將應(yīng)力時程施加到邊坡底部。計算邊界范圍至少需要滿足靜力條件下的計算精度。4.2土體破裂面分析本文進行土坡動力破壞分析時,將土體參數(shù)逐漸折減至獲得土坡的動力破裂面,通過分析土體參數(shù)折減系數(shù)為1.2時不同時刻單元破壞狀態(tài)、位移和剪應(yīng)變增量以得到土坡在地震作用下破壞機制和確定破裂面位置。4.2.1坡面和坡面部位單元圖10為不同時刻土坡塑性狀態(tài),t=2.0s時,輸入的地震波達到峰值,此時土坡塑性狀態(tài)如圖10(a)所示,可以看出:此時的邊坡坡頂后沿、坡面和坡腳一定深度內(nèi)發(fā)生拉破壞,坡頂向下發(fā)生拉破壞的深度平均約為4m,坡面向下發(fā)生拉破壞的深度約為1m,其余的大部分土體單元均發(fā)生剪破壞,個別單元發(fā)生拉破壞和剪破壞。當(dāng)輸入的地震波到達t=4.5s時,此時的地震波也到第二次峰值。從圖10(b)可以看出:此時邊坡坡頂后沿、坡面和坡腳一定深度內(nèi)均發(fā)生拉破壞且發(fā)生拉破壞的深度增大,坡頂平面向下發(fā)生拉破壞的深度平均約為6m,坡面向下發(fā)生拉破壞的平均深度大約為3m,坡面和坡頂單元同時發(fā)生拉破壞和剪切破壞的單元增多,其余土體單元受剪力的作用。隨著地震動持續(xù)進行,從圖10(c)~(e)可以看出:坡頂后沿、坡面部位拉剪破壞的影響深度基本沒什么變化,從塑性區(qū)云圖看,拉破壞和剪破壞的范圍也沒有太大的變化。最終到地震終止時t=16.0s時,坡頂平面一定深度內(nèi)均是拉破壞和剪破壞,坡面往下一定深度也是拉破壞和剪破壞,拉破壞和剪破壞深度比坡頂處小,其余土體均受剪應(yīng)力作用。4.2.2土坡失穩(wěn)分析邊坡潛在滑體相對于破裂面后不滑部分中的一點相對位移–時間曲線如圖11所示:t=2.0s時潛在滑體水平相對位移僅有0.02m,此時輸入的地震波加速度達到峰值時刻,此時邊坡沒有破壞。故地震波達到最大值時不一定是邊坡動力破壞的時刻,這與已有的研究是一致的。到t=4.5s時,潛在滑體已經(jīng)發(fā)生了比較大的相對位移,而且相對位移突變,突變完成后相對位移達到0.08m,從t=4.5s開始潛在滑體產(chǎn)生較大的水平滑動,但是沒有劇烈的突變,直到地震波作用時間t=12.0s后出現(xiàn)不變的相對位移,但邊坡是否整體失穩(wěn),還需要進一步的分析。圖12為不同時刻的土坡剪應(yīng)變增量云圖,從圖12(a)中t=2.0s時剪應(yīng)變增量云圖也可以看出,最大剪應(yīng)變增量為1.4×10-2,且只是集中在坡腳附近,沒有貫通的剪切滑移面,表明拉破壞區(qū)和剪切滑移面構(gòu)成的破裂面沒有貫通。地震波此時達到峰值,但是土坡并沒有形成貫通的破裂面,更不可能破壞,故進一步證明地震波達到最大值時不一定是邊坡動力破壞的時刻。從圖12(b)中t=4.5s剪應(yīng)變增量云圖可以看出:剪應(yīng)變增量最大值為4×10-2,此時的邊坡剪應(yīng)變增量云圖從坡腳往上將要貫通,距離坡頂平面約6m,與拉裂區(qū)相近,表明上部拉裂區(qū)與下部剪切滑移面已經(jīng)形成拉剪貫通的破裂面。從圖12(c)~12(e)中t=8.0s,12.0s,16.0s時刻的剪應(yīng)變增量云圖均可以清晰的看到拉破壞和剪破壞組成的貫通的破裂面。從土坡地震荷載作用下不同時刻的剪應(yīng)變增量云圖中可看出,隨著地震的作用,剪應(yīng)變增量慢慢增大,到地震結(jié)束時,剪應(yīng)變增量最大值達到0.1,剪應(yīng)變增量從坡腳向坡頂延伸,但是剪應(yīng)變沒有貫通,這是由于地震作用下坡頂向下一定深度發(fā)生拉破壞,實際情況是土坡在地震作用下已經(jīng)形成拉裂縫和剪切破壞共同組成的破裂面,并且破裂面已經(jīng)貫通。綜合以上分析可知,土坡在地震動作用下的破壞也是一個過程,算例土坡如果動力破壞,那么其破壞時間為t=4.5~12.0s。土坡在地震作用下的破壞主要是由地震作用下坡頂上部拉破壞和從坡腳開始的圓弧形的