基于ADINA堆積層滑坡地震作用下動(dòng)力響應(yīng)特性及穩(wěn)定性研究

朱永和， 鄧偉杰， 趙順利

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450000）

我國(guó)是發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害最多的國(guó)家之一，復(fù)雜的地形地貌、多樣地質(zhì)構(gòu)造組合是發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的內(nèi)因；人為不合理利用自然資源是促使自然災(zāi)害發(fā)生的外因. 另一方面全球化惡劣氣候的自然因素是地質(zhì)災(zāi)害的導(dǎo)火線. 據(jù)相關(guān)部門不完全統(tǒng)計(jì)，2003年到2015年我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害有30萬(wàn)次，滑坡發(fā)生的次數(shù)為22萬(wàn)次，由地震作用引起的滑坡發(fā)生次數(shù)有11萬(wàn)次，地震作用引起的滑坡發(fā)生次數(shù)占滑坡發(fā)生總次數(shù)50%，占地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生總次數(shù)的36.6%. 由地震造成生命財(cái)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)損失不計(jì)其數(shù)，因此對(duì)滑坡在地震作用下進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)和穩(wěn)定性分析意義重大［1-2］. 近年來(lái)眾多學(xué)者對(duì)滑坡在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)特征和變形機(jī)制做了較多研究. 何蘊(yùn)龍［3］采用有限元?jiǎng)恿Ψ治龇ǚ治隽藥r石邊坡地震動(dòng)力系數(shù)分布規(guī)律；言志信［4］通過(guò)有限差分軟件FLAC3D對(duì)順層巖質(zhì)邊坡動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律及變形機(jī)理進(jìn)行了研究；徐光興［5］采用大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)探討地震動(dòng)參數(shù)對(duì)巖體邊坡動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)的影響. 目前對(duì)堆積層滑坡的動(dòng)力響應(yīng)特性和穩(wěn)定性研究還處在初級(jí)階段，因此本文基于ADINA動(dòng)力有限元法軟件計(jì)算典型堆積體滑坡在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)特征，分析地震作用下的靜力法和動(dòng)力分析法的可行性［5-7］.

1 工況

研究區(qū)位于四川廣安市鄰水縣高灘鎮(zhèn)，屬于侵蝕地貌深丘區(qū)，地形較平緩，由間歇性面狀抬升運(yùn)動(dòng)形成多級(jí)夷平面和河流堆積階地. 滑坡位于華釜山大斷裂帶附近，以背斜擠壓緊密向斜舒緩為主形成典型的隔擋式地質(zhì)構(gòu)造. 據(jù)勘察結(jié)果表明，研究區(qū)主要出露地層有中生界侏羅紀(jì)中統(tǒng)( J2s) 上沙溪廟組地層和第四紀(jì)全新統(tǒng)( Q4)松散堆積層，其中侏羅紀(jì)中統(tǒng)上沙溪廟組地層是呈褐黃色、棕黃色，并以石英及黏土礦物為主，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，中厚層—厚層狀構(gòu)造泥質(zhì)粉砂巖，巖層總體產(chǎn)狀為290°∠20°. 堆積層滑坡體主要為第四紀(jì)堆積土組成，耕土()灰色，以黏性土為主，富含植物根系；粉質(zhì)黏土()為褐黃色、褐紅色，由黏粒和粉粒組成分，布于基巖頂板之上，其底部可見(jiàn)母巖顆粒. 滑坡體主要是第四紀(jì)堆積層粉質(zhì)黏土沿滑床泥質(zhì)粉砂巖接觸面向下滑動(dòng)而成，據(jù)勘探資料表明，滑坡體底部有一弧形軟弱結(jié)構(gòu)面，埋深隨滑坡體厚度變化而變化.雨水和地表水的補(bǔ)給使地下水位不斷增高，減弱了滑坡體抗剪強(qiáng)度. 近幾年發(fā)生的地震作用很大程度上改變了巖體的結(jié)構(gòu)特性，為水的滲透提供了天然通道，嚴(yán)重影響滑坡穩(wěn)定性.

滑坡屬于牽引式堆積層滑坡，平面呈圈椅狀，坡面呈階梯狀，如圖1所示. 滑坡潛在滑移方向?yàn)?°，地形坡度一般為25°～30°，總體坡度為26.5°. 坡體縱向長(zhǎng)約56 m，橫寬約42 m，前緣高程294 m，后緣高程322 m，滑體面積約2.35×103m2，厚約1.0～7.5 m，滑體體積約9.4×103m3.

圖1 滑坡地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological profile of landslide

2 計(jì)算模型建立

2.1 滑坡模型

基于ADINA軟件建立動(dòng)力有限元計(jì)算模型，研究滑坡在地震作用下破壞的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程，判斷滑坡的穩(wěn)定性及其發(fā)展趨勢(shì)［8-11］. 根據(jù)滑坡體地質(zhì)構(gòu)造和地層巖性建立滑坡有限元概化模型，地層巖性從表面依次分為：第四紀(jì)種植土、第四紀(jì)殘坡積粉質(zhì)黏土、侏羅系中統(tǒng)中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖. 按其巖性分為三種材料，均是基于摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則的理想彈塑性材料. 邊界條件設(shè)定為：兩側(cè)為Y向約束，底邊為完全固定. 模型采用四節(jié)點(diǎn)進(jìn)行剖分，共3 個(gè)5038 節(jié)點(diǎn)，4908 個(gè)單元，具體見(jiàn)圖2.

2.2 計(jì)算條件與參數(shù)設(shè)置

本計(jì)算參數(shù)是根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和勘查分析成果，結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)和工程地質(zhì)手冊(cè)后，選取滑坡體物理力學(xué)參數(shù)值，見(jiàn)表1.

圖2 有限元網(wǎng)格剖分圖Fig.2 Finite element mesh subdivision

表1 滑坡體巖土體物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of landslide rock mass

根據(jù)勘察報(bào)告，研究區(qū)地震烈度為VII度，地震峰值加速度0.15 g. 故模擬動(dòng)力分析時(shí)采用最大峰值為0.84 m/s2的Kobe 波進(jìn)行，具體見(jiàn)圖3，模擬時(shí)間為10 s.

圖3 地震加速度時(shí)程曲線Fig.3 Seismic acceleration time curve

3 堆積層滑坡動(dòng)力響應(yīng)及穩(wěn)定性分析

3.1 堆積層滑坡動(dòng)力響應(yīng)分析

為準(zhǔn)確地模擬出滑坡體在地震作用下的位移、加速度、應(yīng)力和應(yīng)變隨時(shí)間的變化，在滑坡體前緣、中部、后緣各設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)部位的3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)依次是從坡體表面垂直向下等間隔?。?2-14］. 前緣設(shè)置監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)由上而下依次為節(jié)點(diǎn)6214、節(jié)點(diǎn)5892、節(jié)點(diǎn)4904；中部監(jiān)測(cè)為節(jié)點(diǎn)4874、節(jié)點(diǎn)4386、節(jié)點(diǎn)4471；后緣監(jiān)測(cè)為節(jié)點(diǎn)4844、節(jié)點(diǎn)4490、節(jié)點(diǎn)2694.

圖4 擬靜力作用下位移云圖Fig.4 Displacement clouds under quasi-static action

3.1.1 位移、加速度響應(yīng)規(guī)律分析 滑坡變形是多種影響因素下的結(jié)果，通過(guò)有限元法計(jì)算出滑坡的不同方向位移來(lái)確定滑坡的穩(wěn)定狀態(tài)［16］.圖4（a）、（b）分別是地震作用下靜力水平位移、豎向位移云圖. 由圖4可知，靜力作用下滑坡最大水平位移3.08 cm，在滑坡中部；最大豎向位移為7.02 cm，分布滑坡表層距破頂1/3處中后部. 圖5（a）、（b）分別是地震動(dòng)力作用下水平位移、豎向位移云圖. 由圖5可知，動(dòng)力作用下水平位移增大為4.45 cm，在滑坡后緣處；豎向位移增大為9.15 cm，在滑坡中部. 動(dòng)力作用模擬出位移結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)勘查滑坡后緣出現(xiàn)多處拉伸裂縫相符合.

圖5 動(dòng)力作用下位移圖Fig.5 Displacement cloud diagram under dynamic action

為體現(xiàn)動(dòng)力作用對(duì)滑坡的影響，取坡體前緣6124節(jié)點(diǎn)、中部4874、4386、4471節(jié)點(diǎn)和后緣4844節(jié)點(diǎn)作為位移響應(yīng)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算出滑坡不同部位監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移響應(yīng)曲線（圖6）、滑坡中部不同高程監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移響應(yīng)曲線（圖7）. 地震波在滑坡體介質(zhì)中通過(guò)巖土體的結(jié)構(gòu)、節(jié)理、裂隙等構(gòu)造改變了地震波的能量，促使滑坡前緣、中部和后緣發(fā)生變形破壞.

如圖6 所示，在地震動(dòng)力持續(xù)10 s 作用下坡體發(fā)生位移顯著，其中坡體中部節(jié)點(diǎn)4874位移最大，前緣節(jié)點(diǎn)6124 位移最小，后緣位移居中. 滑坡中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線振幅較滑坡前緣和后緣都有明顯放大、滯后現(xiàn)象. 如圖7 所示，在動(dòng)力作用下坡體中部隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程的增加，位移時(shí)程曲線振幅不斷增大，位移峰值點(diǎn)在基本相同的時(shí)間點(diǎn)上. 這說(shuō)明滑坡體中不同位移的位移響應(yīng)基本一致，說(shuō)明在動(dòng)力作用下滑坡體的各部位是同步變化的.

加速度可以用來(lái)表示地震力，通過(guò)繪制坡面和坡體內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)曲線來(lái)觀察滑坡體對(duì)動(dòng)力地震波的響應(yīng)規(guī)律. 由圖8 所示，在坡體表面從坡體前緣、坡體中部到坡體后緣，監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度的振幅遞增，中部表面節(jié)點(diǎn)4874地震加速度極值可達(dá)6.0 m·s-2. 由圖9可知，基巖體內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)4471 加速度變化較小，在滑帶處節(jié)點(diǎn)4386加速度變化明顯增大，坡體表面加速度振幅最大. 堆積層內(nèi)部加速度變化幅度不明顯，但越接近坡體表面加速度變化越大，即是坡體對(duì)地震波的放大效應(yīng).

圖6 滑坡不同部位監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移時(shí)程曲線Fig.6 Displacement-time curve of monitoring points in different parts of landslide

圖7 滑坡中部不同高程監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移時(shí)程曲線Fig.7 Displacement-time curve of different elevation monitoring points in the middle of the landslide

圖8 滑坡不同部位監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)程曲線Fig.8 Acceleration-time curve of the monitoring points in different parts of the landslide

圖9 滑坡中部不同高程監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)程曲線Fig.9 Displacement-time curve of different elevation monitoring points in the middle of the landslide

圖10 動(dòng)力作用下應(yīng)力、應(yīng)變?cè)隽吭茍DFig.10 Stress and increase strain cloud diagram under dynamic action

3.1.2 應(yīng)力、應(yīng)變響應(yīng)規(guī)律 圖10為動(dòng)力作用下的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)隽吭茍D，圖中壓應(yīng)力為正，拉應(yīng)力為負(fù). 由圖10（a）可以看出，堆積層滑坡在地震動(dòng)力作用下的最大壓應(yīng)力在基巖內(nèi)部值為398.64 kPa；拉應(yīng)力分布在坡體表層，最大拉應(yīng)力31.83 kPa主要分布在后緣處，與現(xiàn)場(chǎng)勘查中后緣出現(xiàn)多處拉裂隙相吻合. 圖10（b）是滑坡在動(dòng)力作用下剪應(yīng)變?cè)隽康脑茍D，可知滑坡后緣出現(xiàn)最大剪應(yīng)變?yōu)?.11×10-4，前緣處出現(xiàn)壓裂破壞剪應(yīng)變?yōu)?.89×10-3. 圖中明顯看出貫通區(qū)，即滑坡潛在滑動(dòng)面，這一區(qū)域表明剪應(yīng)變從坡腳開(kāi)始向坡體內(nèi)部擴(kuò)散直到后緣，當(dāng)塑性區(qū)貫通時(shí)滑坡將處于不穩(wěn)定狀態(tài).

3.2 堆積層滑坡穩(wěn)定性分析

有限元計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)時(shí)通常運(yùn)用的是強(qiáng)度折減法［16］，通過(guò)不斷降低巖土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)直到巖土體達(dá)到臨界破壞狀態(tài)，然而巖土體不斷折減的系數(shù)即為邊坡穩(wěn)定系數(shù). 動(dòng)力分析滑坡的穩(wěn)定系數(shù)時(shí)是計(jì)算不同時(shí)刻下的穩(wěn)定系數(shù)，并求取平均穩(wěn)定系數(shù). 采用特征點(diǎn)位移突變和塑性區(qū)貫通判據(jù)相結(jié)合的方法作為滑坡失穩(wěn)依據(jù)，從而計(jì)算出動(dòng)力作用下不同時(shí)刻的穩(wěn)定系數(shù).

基于擬靜力通過(guò)強(qiáng)度折減法計(jì)算出滑坡折減系數(shù)為1.06，動(dòng)力分析計(jì)算出的平均穩(wěn)定系數(shù)為0.98，綜合對(duì)比分析劉家滑坡在地震作用下處于不穩(wěn)定狀態(tài). 因此動(dòng)力分析計(jì)算出滑坡穩(wěn)定狀態(tài)更符合情況，具有一定的理論指導(dǎo)意義［17-19］.

4 結(jié)論

1）通過(guò)ADINA軟件模擬對(duì)劉家滑坡在動(dòng)力地震作用下不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移、加速度的響應(yīng)及其之間規(guī)律進(jìn)行了分析，動(dòng)力分析出水平位移和豎向位移都有所增加，其中最大豎向位移9.15 cm出現(xiàn)在后緣處. 滑坡中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線振幅較滑坡前緣和后緣都有明顯放大、滯后現(xiàn)象. 隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程的增加，位移時(shí)程曲線振幅不斷增大，位移峰值點(diǎn)基本同步. 在坡體表面從坡體前緣、坡體中部到坡體后緣，加速度的振幅遞增，坡體中部地震加速度極值可達(dá)6.0 m·s-2.

2）通過(guò)動(dòng)力響應(yīng)研究，獲得滑坡體不同部位的應(yīng)力、應(yīng)變的響應(yīng)分析及其之間規(guī)律；滑坡后緣出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，易出現(xiàn)拉裂縫. 滑坡前緣發(fā)生壓裂破壞，剪應(yīng)變?cè)隽繛?.89×10-3. 剪應(yīng)變?cè)隽繌钠履_開(kāi)始向坡體內(nèi)部擴(kuò)散直到后緣，對(duì)坡腳應(yīng)著重防護(hù).

3）通過(guò)擬靜力和動(dòng)力分析計(jì)算出的滑坡穩(wěn)定系數(shù)的對(duì)比分析表明，滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài). 堆積層滑坡動(dòng)力作用下穩(wěn)定性分析具有一定必要性.