结构面对岩体边坡地震动影响的数值模拟研究.docx
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结构面对岩体边坡地震动影响的数值模拟研究
结构面对岩体边坡地震动影响的数值模拟研究
孙进忠田小甫
中国地质大学（北京）,中国，北京100083
摘要：
本文采用数值模拟的方法，利用UDEC软件，展开了结构面对岩体边坡地震动影响的数值模拟研究，研究内容涉及结构面物理力学性状变化和产状和位置变化对岩体边坡地震动放大系数空间展布的影响。
根据岩体边坡中结构面发育的一般情况，本文概括出两种产状类型的结构面：
1）与坡面相交的贯穿性结构面；2）平行于坡面的结构面。
前者主要的物理对象是层面、贯穿性长大软弱结构面等，后者主要模拟边坡岩体卸荷节理。
数值模拟结果表明，岩体阻尼对边坡地震动响应的强度有一定会影响，但对边坡地震动响应强度的分布基本没有影响；结构面刚度大小适中，使得结构面对地震波的透射和反射作用相当时，结构面对边坡地震动的影响最为显著；结构面越靠近坡顶，边坡上部的地震动响应越强烈；顺倾结构面会使坡肩部形成更强烈的地震动响应；坡角越陡，坡顶和坡肩部的地震动响应越强烈。
上述规律对于岩质边坡地震稳定性分析具有指导意义。
关键词：
岩体边坡，结构面，地震动加速度放大系数，数值模拟
NumericalAnalysisoftheInfluenceofStructurePlanesontheEarthquakeMotioninRockSlopes
SUNJin-zhongTIANXiao-fu
ChinaUniversityofGeosciences（Beijing）,Beijing100083,China
Abstract:
ThenumericalsimulationwithsoftwareUDECfortheinfluenceofstructureplanesontheearthquakemotionofrockslopesarecarriedoutinthispaper.Thestudydealswiththeinfluenceofthevariationsinthephysicalandmechanicalparametersandattitudesaswellaspositionsofstructureplanesontheintensificationofearthquakemotioninrockslopes.Accordingtogeneralsituationsofstructureplanesdevelopinginrockslopes,twoattitudetypesofstructureplanesaregeneralizedinthispaper:
1）penetratingstructureplanesintersectingwiththeslopesurface;2）structureplanesparalleltotheslopesurface.Thefirsttypeofstructureplanesisrelativetostratalayersandlongpenetratingweakstructureplanes,andthesecondtypemainlystandsforunloadedjointsoftherockslopes.Itisrevealedbynumericalanalysesthatthevariationinthedampratioofrockmasscanaffecttheintensificationofearthquakemotionintheslopetosomeextent,butithaslittleinfluenceonthedistributionoftheearthquakemotionintheslope;astructureplanewillhavesignificantinfluenceontheearthquakeresponseoftheslopeonlyifthestiffnessofthestructureplaneisatapropervalue;theshorterthedistancebetweenastructureplaneandthetopsurfaceoftheslope,thestrongertheearthquakeresponseoftheslope;thestructureplaneacrossanddiptotheslopesurfacewillcausestrangerearthquakemotionintheupperslopebodythanthatcausedbystructureplaneshorizontaloranti-diptotheslopesurface;thesteppertheangleoftheslopesurface,thestrongertheearthquakemotioninthetoporshoulderoftheslope.Thelawsabove-mentionedwillbevaluablereferencestotheofearthquakestabilityanalysisofrockslopes.
Keywords:
rockslope,structureplane,amplificationcoefficientofseismicacceleration,numericalanalysis.
1引言
我国是一个地震多发的国家，而地震是边坡失稳的主要诱因之一[1]，例如，汶川5.12大地震触发了大量的边坡崩滑，带来了不可估量的损失。
所以，边坡地震稳定性问题已成为岩土工程研究的热点问题[2~8]。
目前，对于边坡的地震稳定性评价主要采用拟静力法和有限滑动位移法，这两种方法都需要确定地震系数。
地震系数α定义为一点的地震动加速度a与重力加速度g的比值（α=a/g），可见，边坡地震系数的确定需要明确边坡对于地震作用的响应规律。
祁生文、何蕴龙、徐光兴等针对边坡的地震响应问题开展了数值模拟研究，得到了一些有价值的研究成果[9~11]。
这些成果主要针对的是均质边坡情况，对于存在着大量结构面的岩体边坡尚有待进一步研究，所以，本文展开了结构面对岩体边坡地震动影响的二维数值模拟研究。
鉴于离散元软件UDEC可以很好地解决离散岩体的非线性动力分析问题，已经广泛应用于采矿工程、地下结构工程和边坡工程等领域[12]，本文的数值模拟采用了UDEC软件。
为便于边坡内不同位置地震动强度的比较，研究中定义边坡岩体中一点地震动峰值加速度aP与坡脚处地震动峰值加速度aP0之比为边坡的地震动加速度放大系数ξ（ξ=aP/aP0）。
本文研究内容涉及结构面物理力学性状变化、产状和位置变化对岩体边坡地震动加速度放大系数空间展布的影响。
2含结构面边坡动力响应模拟方案
2.1基本假定
本文在结构面对于岩质边坡动力响应影响的研究中遵循如下假定：
1）应力应变关系：
平面应变状态；2）岩石材料：
均匀的各向同性材料；3）结构面本构关系：
莫尔-库伦滑动模型；4）入射地震波：
从模型底面垂直入射的剪切波。
2.2模型工况选择
岩体中结构面的分布具有不确定性，而且其发育的规模和特征也有很大的不同，考虑现实中所有情况下结构面对于岩质边坡动力响应影响存在着很大的困难。
为了突出主要矛盾，考虑岩体边坡中结构面发育的一般情况，本文概括出两种类型的结构面：
1）与坡面相交的贯穿性结构面；2）平行于坡面的结构面。
前者可以用以模拟边坡岩体中的层面、贯穿性长大软弱结构面等；后者主要模拟边坡岩体卸荷节理。
本文主要研究以下两种工况：
工况1
在边坡模型中布置一条与坡面相交的贯穿性结构面，考虑坡角、结构面与坡面交点的位置、结构面刚度以及结构面倾角这些参数的变化对边坡动力响应的影响。
工况2
在垂直于坡面向内一定范围内布置几条平行于坡面的结构面，上部切穿坡顶面，下部截止于一条水平贯穿性结构面。
结构面刚度值设为较低值，结构面抗拉强度设为零。
此种工况主要模拟卸荷带对于岩质边坡动力响应的影响。
模拟中主要考虑卸荷裂隙发育密度和卸荷带深度的变化。
两种工况的模型示意图如图1、图2所示。
图中：
D为边坡水平长度，H为边坡高度，h为结构面与坡面交点位置高度，β为坡角，γ为结构面倾度，d为卸荷裂隙间距，l为卸荷裂隙带的高度，s为卸荷带深度，f为入射地震波频率。
模拟中主要关注结构面附近加速度放大系数等值线的分布与坡肩放大系数的量值。
图1工况1边坡动力响应分析模型示意图
图2工况2边坡动力响应分析模型示意图
2.3模型边界条件与参数选取
为了消除截断边界对于应力波的反射效应，模型底面边界采用粘滞边界，模型两侧采用自由场边界[13]。
为便于边坡内不同位置地震动强度的比较，引入本文开始定义的无量纲参数，边坡地震动加速度放大系数ξ。
为了全面了解边坡各个部位的动力响应，利用程序自带的FISH语言编制了自动布置监测点的函数，记录计算过程中监测点上地震动加速度的变化过程，并自动计算每个监测点上地震动加速度的最大值。
计算持续时间应该保证入射地震波传播到坡顶并发生反射叠加作用，待波场稳定后再进行加速度最大值的提取。
各种工况模型参数按表1选取。
表1模型参数表
材料参数
符号
取值
块体密度
ρ
2500kg/m3
体积模量
K
27.7GPa
剪切模量
G
20.8GPa
泊松比
ν
0.2
纵波速度
Vp
4714m/s
横波速度
Vs
2886m/s
结构面粘聚力
c
2MPa
结构面内摩擦角
φ
40°
2.4地震荷载
地面地震动过程一般以水平方向振动为主，频率成分复杂，地震动加速度主频一般在2~10Hz。
为了进行一般规律性研究，本次数值模拟地震动力荷载输入采用水平向简谐振动剪切波，从模型底部边界垂直入射。
首先确定输入地震动加速度时程，然后对其进行积分转化成速度时程，再将其转化成应力时程从边界输入。
选择加速度振幅为1m/s2、频率为5Hz的简谐水平地震动作为输入地震荷载，进行边坡地震动响应的数值模拟研究。
同一测点上地震动的位移、速度或加速度均随输入地震荷载的强度的增加而增加，三者的强弱变化一致，在边坡中的强弱分布形式相同[9,14]。
所以，在边坡地震响应数值模拟中可选用地震动加速度放大系数来表示边坡地震动响应强度的分布。
3边坡介质物性参数的影响
3.1阻尼比
应力波在阻尼比不同的材料中传播时，随着传播距离的增大，其幅值和频率特性的差异也会随之增大[15]。
因此，在进行含结构面边坡动力响应分析前，需要了解阻尼比对模拟结果的影响。
建立坡高60m、坡角30°的均质边坡模型，阻尼比ζ取值在1%~5%的范围内，模拟结果如图3所示。
从图3可以看出，阻尼比在1%~5%范围内变化时对边坡的加速度放大系数的分布基本上没有影响，只是边坡加速度放大系数值随着阻尼比的降低而升高，但量值上变化并不显著。
这说明在模拟阻尼范围内，边坡的动力响应加速度分布对于阻尼比的变化并不敏感，所以在以下的数值模拟过程中边坡介质的阻尼比ζ固定为3%。
（a）ζ=5%
（b）ζ=3%
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