地震作用下边坡破坏机制的flac分析

地震作用下边坡破坏机制的flac分析

1地震边坡稳定性分析地震引起的斜坡滑动是地震灾害的主要类型之一。在山区和山区，地震带来的斜坡分布广泛，数量众多，破坏较大。5.12汶川大地震诱发了大量的滑坡,造成了巨大的经济损失和人员伤亡。据统计,汶川地震滑坡造成的次生灾害损失占整个地震损失的约1/3。地震边坡稳定性分析已成为岩土工程界和地震工程界的重要课题之一。在边坡稳定性分析中,首先要知道边坡的破坏机制,弄清破裂面的性质和位置。在当前地震边坡动力稳定性分析中,一般仍然假定边坡是剪切破坏[1~5],通过极限平衡分析搜索得到边坡滑移面并求得安全系数,以此评价地震边坡的稳定性[6~8]。然而5.12汶川地震边坡破坏现象的调查发现:滑坡上部多数发生拉破坏,甚至有些岩土体被抛出[9~11],这是一个很好的启示,为此,必须弄清地震边坡在动力作用下破裂面的性质与位置,在此基础上,才能更加准确的评价地震边坡的稳定性。本文利用FLAC动力强度折减法结合具有拉和剪切破坏分析功能的FLAC3D软件分别分析了具有风化层的岩质边坡和土质边坡在地震作用下的破坏机制,主要分析了不同时刻边坡拉破坏区和剪切破坏区的情况,探讨了地震边坡破坏机制、过程,明确了破裂面性质与位置,为地震边坡动力稳定性分析提供了更加可靠的基础。2flac动态强度转换方法的总结2.1基于剪切强度和强度折减的边坡强度分析方法静力下的有限元强度折减法是将边坡体的抗剪强度指标c和tanϕ分别折减ω,折减为c/ω和tanϕ/ω,使边坡达到极限平衡状态,此时边坡的折减系数即为安全系数。目前该方法在静力条件下,已经非常成熟。在FLAC中同样可以采用强度折减法计算边坡的安全系数。当前,地震边坡破坏机制借用静力下边坡破坏机制,认为地震边坡破坏的主要原因是岩土体的剪切破坏,而忽视了岩土体的拉破坏对边坡破坏的影响,与汶川地震边坡破坏现象不符,实际上边坡破坏是滑动岩土体受拉和受剪的复合破坏作用,特别是边坡体在地震动往复运动中,边坡岩土体更易发生拉破坏,故边坡地震动破坏分析除了要考虑边坡体的剪切破坏,还要考虑边坡体的拉破坏。为此本文在进行强度折减的时候既考虑了剪切强度参数的折减,又考虑了抗拉强度参数的折减:式中:σt为折减前的岩土体抗拉强度;c′,ϕ′,σt′分别为折减后岩土体黏聚力、内摩擦角和抗拉强度。本文采用以下方法进行地震边坡的破坏机制分析:施加地震荷载进行FLAC动力分析,采用式(1),(2)逐渐降低边坡或者软弱结构面上的强度参数,直到获得地震边坡的破裂面,以分析破裂面性质与位置。2.2边坡破坏标志—动力边坡破坏条件探讨目前,静力条件下边坡破坏3个条件:以塑性区或者等效塑性应变从坡脚到坡顶贯通作为边坡整体失稳的标志;以土体滑移面上应变和位移发生突变作为标志;以有限元静力平衡计算不收敛作为边坡整体失稳的标志。静力计算时,塑性区贯通是边坡破坏的必要条件,但不是充分条件,土体滑移面上应变和位移发生突变是边坡破坏的标志,相应有限元计算不收敛。FLAC应用静力强度折减计算边坡的安全系数时采用计算不收敛作为边坡破坏的标志。本文进行边坡动力失稳破坏分析时,认为也可以从这3方面综合判断破坏是否处于破坏状态:首先看破裂面是否贯通,然后看潜在滑体位移是否突然增大,但考虑到边坡在地震作用下处于振动状态,地震荷载是变化的,因而位移也会随之发生突变,所以与静力问题不同,单凭位移突变尚难以判断破坏,还必须考虑计算中力和位移是否收敛。如果上述3个条件都满足就可以判断滑坡已经破坏。本文主要研究破裂面的性质与位置,有关边坡动力稳定性分析将在以后进行研究,因此,本文将边坡参数折减至获得动力破裂面即可,不需要知道此时边坡是否动力失稳破坏,对应的折减系数也不是边坡的动力稳定性系数。3破裂面的地震反应本文通过风化岩质边坡和土坡2个算例,分别分析其在地震作用下破坏时单元破坏状态、位移和剪应变增量、节理单元的接触状态等,据此确定破裂面的性质和位置。3.1flac3计算坡面有风化层的岩质边坡,如图1所示。边坡高度为30m,坡角为45°,风化层高度为20m,岩体物理力学参数如表1所示。输入的水平地震波为截取的一段20s的集集地震波,相应的水平加速度峰值为7.05m/s2,输入的水平向加速度–时间曲线如图2所示。FLAC3D计算时岩体材料为弹塑性材料,采用Mohr-Coulomb强度准则,边界条件采用自由场边界,阻尼采用局部阻尼,阻尼系数为0.15,先进行静力计算,后进行动力计算。边界范围至少满足静力条件下的计算精度,本算例计算边界:坡脚到左端边界的距离为坡高的1.5倍,坡顶到右端边界的距离为坡高的2.5倍,上下边界总高为坡高2倍。3.2风化岩质边坡破坏机制风化层岩质边坡在输入地震波作用的过程中,边坡岩土体塑性状态、位移和应变必将随之发生变化,本节通过分析风化岩质边坡岩体和风化层参数折减系数均为1时不同时刻单元破坏状态、剪应变增量和位移云图、岩层分界面设置的节理单元接触状态,以得到风化岩质边坡在地震作用下破坏机制和确定破裂面位置。3.2.1单元间接触单元的确定图3为不同时刻岩质边坡塑性区,如图3(a)所示,t=4.0s时风化层上部靠近岩层分界面处两个单元发生拉剪破坏,一个单元发生拉破坏,风化层下部靠近分界面位置,单元发生剪破坏,边坡仅在风化层中坡顶平面靠近岩层分界面处局部发生了拉破坏。如图3(b)所示,t=8.0s时滑体上部拉破坏的单元逐渐增多,滑体上大部分单元都发生拉破坏或者剪破坏,发生拉破坏和剪破坏的单元集中在风化层中岩层分界面的上部,显然,风化层上部发生拉破坏的深度在增加。风化层中只有个别单元既没有发生拉破坏也没有发生剪破坏。如图3(c)所示,t=12.5s时输入的地震波达到峰值,边坡风化层中除个别单元发生剪破坏以外,绝大部分单元都发生拉破坏和剪破坏,并在岩层分界面上部发生拉裂缝。如图3(d)所示,t=16.0s时塑性状态可以看出风化层部分所有的单元都发生拉破坏和剪破坏,并且岩层分界面上部裂缝扩大并向下发展,由于风化层和基岩在FLAC划分网格时拥有相同的节点,有限元计算时位移一致,故滑体由于拉破坏形成裂缝不能反映真实情况下拉裂缝,实际上拉破坏形成的拉裂缝会比图中显示的更明显,滑体上部与基岩之间将完全拉开,这个问题将在下面通过在分界面处设置接触单元进一步的分析。如图3(e)所示,t=20.0s时裂缝扩大到滑体上部靠近岩层分界面处所有单元,并且所有的单元都发生拉破坏和剪破坏。从不同时刻的单元的破坏状态可以看出,在地震荷载的作用下,边坡上部单元先发生拉破坏,并在岩层分界面上部产生拉裂缝,边坡下部单元先发生剪破坏,随着地震的持续作用,拉裂缝的深度增大,潜在滑体上所有的单元发生拉破坏和剪破坏。3.2.2拉破坏的形成与变形如果边坡发生破坏,滑体部位相对于不滑部位必将产生较大的相对位移,本算例中在风化层潜在滑体部位选取一个关键点,其相对于未滑部分一点的相对位移–时间曲线如图4所示。从图4可以看出,相对位移在t=12.5s时发生较大突变,与峰值图5为不同时刻岩质边坡剪应变增量云图。如图5(a)所示,从t=4.0s时剪应变增量云图可以看出,靠近岩层分界面处,剪应变较小,最大只有3×10-5,此时剪切破坏形成的塑性区没有贯通,通过前面单元破坏状态分析,边坡也只在风化层中坡顶平面靠近岩层分界面处局部发生了拉破坏,综合以上判断拉剪破裂面还没有形成。如图5(b)所示,从t=8.0s时剪应变增量云图来看,剪切破坏形成的塑性区没有贯通,但是通过前面单元破坏状态分析,t=8.0s时风化层中周边单元都发生拉破坏或者剪破加速度时刻相对应,突变后,相对位移继续增大,此时边坡有可能失稳破坏,但还不足以判断边坡已经整体失稳,也可能还处于稳定状态。如果边坡已经整体失稳,那么边坡破坏主要发生在t=12.5~16.0s,是一个过程,而不是在某一时刻完成。坏,综合判断已经形成贯通的破裂面,其中破裂面上部为拉破坏,下部为剪切破坏形成的滑移带,但此时边坡并没有破坏,这点和静力边坡有限元分析相同,破裂面贯通也不能作为边坡动力失稳的有限元判据。从图5(c)中t=12.5s时剪应变增量云图来看,剪破坏形成的塑性区没有贯通,但结合前面单元破坏状态分析,岩层分界面上部发生拉裂缝,此时拉破坏和剪切破坏组成的破裂面已经贯通。从t=16.0s和20.0s时剪应变增量云图(见图5(d),(e))可以看出,剪切滑移带与拉裂缝形成的破裂面更加明显。从图6(a)中t=12.5s时的水平位移云图也可以明显看到贯通的破裂面,破裂面有上部拉裂缝和下部剪切滑移带组成。地震作用完毕时t=20.0s的水平位移云图(见图6(b))也可以清晰地看到由拉裂缝和剪切滑移带组成的贯通的破裂面。从不同时刻的位移和剪应变增量可以看出,随着地震的持续作用,剪切破坏逐渐由坡脚向上发展,上部拉裂缝的深度逐渐增加,直到拉裂缝与剪切滑移带形成贯通的破裂面,并且可以发现地震作用下边坡破坏往往是一个过程,而不是在某时刻完成。3.2.3.0s时接触单元的非接触状态为了更好地分析风化层岩质边坡动力作用中的破坏过程,在风化层与基岩之间设置接触单元,地震动作用下不同时刻接触单元的接触情况如图7所示。从图7可以看出,施加地震动荷载后,t=4.0s时接触单元大部分都是接触状态,只有在靠近坡顶平面和坡脚处于非接触状态,主要是重力的作用影响较大,接触单元上部拉裂,同时滑体会产生向下的滑动,坡脚处位移最大,所以坡脚也处于非接触状态。但是从t=8.0s开始,滑体上部的接触单元全部处于非接触状态,滑体下部的接触全部处于接触状态。主要是由于地震动作用将滑体上部接触全部拉裂,同时产生向下的滑动,故滑体下部不分离。这同样说明了风化层岩质边坡在地震动力作用下的破坏是由滑体上部拉破坏,下部剪切破坏共同组成。破裂面由拉破坏形成的裂缝和剪切破坏形成的剪切滑移带共同组成。3.3移带连接起来根据节3.2的分析,破裂面由拉裂缝和剪切滑移带共同组成,将受拉裂缝和剪切破坏区形成的滑移带连接起来就是该岩质边坡动力作用下的破裂面,如图8所示。从图8可以看出,动力作用下的破裂面和岩层分界线十分接近,这与祁生文等的研究中滑体基本上沿着岩层分界线滑动的结论一致。风化层岩质边坡动力失稳基本上是风化层的破坏,这也和汶川地震滑坡现场调查研究得出的结论一致。4对土壤侵蚀动态破坏机制的分析4.1flac3静力计算均质土坡,边坡高度为20m,坡角为45°,剪切模量为29.8MPa,体积模量为64.5MPa,抗拉强度为0,重度为20kN/m3,黏聚力为40kPa,内摩擦角为20°,地震作用参数采用人工合成的地震波,相应的水平加速度峰值ahmax=1.29m/s2,作用时间为t=16.0s。输入的水平向加速度–时间曲线如图9所示。在进行动力计算之前先进行静力计算。FLAC3D计算时土体材料为弹塑性材料,采用Mohr-Coulomb强度准则,边界条件采用黏滞边界加上自由场边界,阻尼采用局部阻尼,阻尼系数为0.15。为了模拟剪切波向上传播对边坡动力破坏的作用,动力荷载从边坡底部输入,由于底部动力计算边界采用了黏滞边界,故输入动力荷载时首先将加速度时程转化成速度时程,再进一步转化成应力时程,将应力时程施加到边坡底部。计算边界范围至少需要满足静力条件下的计算精度。4.2土体破裂面分析本文进行土坡动力破坏分析时,将土体参数逐渐折减至获得土坡的动力破裂面,通过分析土体参数折减系数为1.2时不同时刻单元破坏状态、位移和剪应变增量以得到土坡在地震作用下破坏机制和确定破裂面位置。4.2.1坡面和坡面部位单元图10为不同时刻土坡塑性状态,t=2.0s时,输入的地震波达到峰值,此时土坡塑性状态如图10(a)所示,可以看出:此时的边坡坡顶后沿、坡面和坡脚一定深度内发生拉破坏,坡顶向下发生拉破坏的深度平均约为4m,坡面向下发生拉破坏的深度约为1m,其余的大部分土体单元均发生剪破坏,个别单元发生拉破坏和剪破坏。当输入的地震波到达t=4.5s时,此时的地震波也到第二次峰值。从图10(b)可以看出:此时边坡坡顶后沿、坡面和坡脚一定深度内均发生拉破坏且发生拉破坏的深度增大,坡顶平面向下发生拉破坏的深度平均约为6m,坡面向下发生拉破坏的平均深度大约为3m,坡面和坡顶单元同时发生拉破坏和剪切破坏的单元增多,其余土体单元受剪力的作用。随着地震动持续进行,从图10(c)~(e)可以看出:坡顶后沿、坡面部位拉剪破坏的影响深度基本没什么变化,从塑性区云图看,拉破坏和剪破坏的范围也没有太大的变化。最终到地震终止时t=16.0s时,坡顶平面一定深度内均是拉破坏和剪破坏,坡面往下一定深度也是拉破坏和剪破坏,拉破坏和剪破坏深度比坡顶处小,其余土体均受剪应力作用。4.2.2土坡失稳分析边坡潜在滑体相对于破裂面后不滑部分中的一点相对位移–时间曲线如图11所示:t=2.0s时潜在滑体水平相对位移仅有0.02m,此时输入的地震波加速度达到峰值时刻,此时边坡没有破坏。故地震波达到最大值时不一定是边坡动力破坏的时刻,这与已有的研究是一致的。到t=4.5s时,潜在滑体已经发生了比较大的相对位移,而且相对位移突变,突变完成后相对位移达到0.08m,从t=4.5s开始潜在滑体产生较大的水平滑动,但是没有剧烈的突变,直到地震波作用时间t=12.0s后出现不变的相对位移,但边坡是否整体失稳,还需要进一步的分析。图12为不同时刻的土坡剪应变增量云图,从图12(a)中t=2.0s时剪应变增量云图也可以看出,最大剪应变增量为1.4×10-2,且只是集中在坡脚附近,没有贯通的剪切滑移面,表明拉破坏区和剪切滑移面构成的破裂面没有贯通。地震波此时达到峰值,但是土坡并没有形成贯通的破裂面,更不可能破坏,故进一步证明地震波达到最大值时不一定是边坡动力破坏的时刻。从图12(b)中t=4.5s剪应变增量云图可以看出:剪应变增量最大值为4×10-2,此时的边坡剪应变增量云图从坡脚往上将要贯通,距离坡顶平面约6m,与拉裂区相近,表明上部拉裂区与下部剪切滑移面已经形成拉剪贯通的破裂面。从图12(c)~12(e)中t=8.0s,12.0s,16.0s时刻的剪应变增量云图均可以清晰的看到拉破坏和剪破坏组成的贯通的破裂面。从土坡地震荷载作用下不同时刻的剪应变增量云图中可看出,随着地震的作用,剪应变增量慢慢增大,到地震结束时,剪应变增量最大值达到0.1,剪应变增量从坡脚向坡顶延伸,但是剪应变没有贯通,这是由于地震作用下坡顶向下一定深度发生拉破坏,实际情况是土坡在地震作用下已经形成拉裂缝和剪切破坏共同组成的破裂面,并且破裂面已经贯通。综合以上分析可知,土坡在地震动作用下的破坏也是一个过程,算例土坡如果动力破坏,那么其破坏时间为t=4.5~12.0s。土坡在地震作用下的破坏主要是由地震作用下坡顶上部拉破坏和从坡脚开始的圆弧形的