（岩土工程专业论文）山区高速公路岩堆边坡动力响应研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 边坡按照性质可以分为岩质边坡和土质边坡，岩堆边坡作为岩质边坡的一 种特殊情况，是岩石山坡经过物理、化学作用、形成岩石碎块、碎屑后，通过 重力作用或雨水作用搬运至平缓山坡或山坡坡脚的疏松堆积物体。岩质边坡的 动力问题求解主要分为拟静力法和数值模拟法，拟静力法的研究成果比较丰富， 理论体系较成熟，但是有明显的缺点。而基于有限差分方法的f l a c 程序，在 岩土学界应用比较广泛。但是动力方面的边坡永久位移的研究相对较少，是目 前该领域研究的热点和难点，特别是近两年地震频发，这就要求我们对动荷载 作用下的岩质边坡的永久位移问题进行深入的研究。 本文总结了边坡动力问题的研究现状，对有限差分原理进行了介绍，详细 地总结和分析了动力求解方法，运用有限差分程序f l a c 软件对岩堆边坡的永 久位移的影响因素进行详细的分析，包括频率、持时、振幅、坡高和坡角五个 方面。主要开展了以下工作： ( 1 ) 在总结前人研究成果的基础上，将地震作用下边坡稳定性的影响因素 归纳为边坡所处的地质背景、边坡的岩体结构类型和地层岩性组合、边坡的地 形地貌条件以及边坡的水文地质条件等方面； ( 2 ) 对边坡有限差分理论进行了详细的叙述，并对有限差分动力方程求解 方法进行总结和分析，讨论了动力方程及计算方法、非线性动力方程和计算方 法、m c 模型本构关系和屈服准则： ( 3 ) 探讨了粘弹性边界条件的设置对计算结果的影响，主要得出了以下五 个方面的结论：动力输入时间对边坡的永久位移的影响，随着持续时间的增 加，边坡的永久位移成增大的趋势；边坡永久位移随着频率的增加反而呈现 降低的趋势，低频地震波导致的边坡的永久位移值明显高于高频地震波，频率 为1 0 h z 是一个分界点，高于1 0 h z 时，随着频率的增加，边坡的永久位移有 明显的下降趋势，而1 0 h z 一- - 2 0 h z 之间，边坡的永久位移没有太大的变化。说 明边坡对动荷载的高频部分由过滤的作用；振幅对位移的影响，随着振幅的 增加，边坡的永久位移呈现明显的上升趋势，变化幅度很大；边坡在受到地 震荷载的作用下，其永久位移随着坡高的增大并不是单调的增加，本文中选取 武汉理工大学硕士学位论文 坡高h = 1 5 m ，3 0 r n ，4 5 m ，6 0 m ，7 5 m ，1 0 0 m ，1 2 0 m ，1 4 0 m ，1 5 0 m ，当坡高在 1 5 m - - 7 5 m 变化时边坡的永久位移呈现明显的增大趋势；当坡高在7 5 m - - 1 0 0 m 变化时，边坡的永久位移基本上保持不变；当坡高在1 0 0 m - - 1 5 0 m 变化时，边 坡的永久位移呈现下降的趋势。这说明，边坡的坡高对边坡的永久位移的影响 不是单调的，而是存在一个临界的坡高，大概是1 0 0 m 左右，当坡高小于临界 坡高时，边坡的永久位移随着坡高的增加呈现增大趋势，当坡高超过临界坡高 时，边坡的永久位移随着坡高的增加反而呈现下降的趋势；边坡的坡角对边 坡永久位移的影响，随着坡角的增加，边坡的永久位移呈现增大的趋势，当坡 角超过6 0 0 时，坡角的改变对边坡的永久位移影响不是很大。 ( 4 ) 结合工程实际，对宜巴高速三里花岩堆边坡的永久位移进行了数值模 拟计算，分析结果表明：在地震动荷载的作用下，1 1 断面和2 - 2 断面的最大永 久位移分别为2 7 8 3 c m 和2 3 6 1 m ，出现在边坡的坡脚位置，这对工程实际具有 指导意义。 关键词：岩堆边坡，永久位移，动荷载，有限差分法，f l a c i i 武汉理工大学硕十学位论文 a b s t i 认c t a c c o r d i n gt op r o p e r t y , s l o p ec a nb ed e v i d e di n t or o c ks l o p ea n ds o i ls l o p e a sa k i n do fr o c ks l o p e s ，s l o p eo fa c c u m u l a t i o no fr o c km a s sh a ss p e c i a lg e o l o g i c a l c o n d i t i o n s i ti sf o r m e db yr o c kc r u m bw h i c hp r o d u c e db yp h y s i c a la n dc h e m i c a l a c t i o n t h ew a y st oa n a l y z ed y n a m i cs t a b i l i t yp r o b l e mo fr o c ks l o p ec a nb e c l a s s i f i e da sp s e u d o - s t a t i cm e t h o d sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d s a l t h o u g h t h ea c h i e v e m e n t so fp s e u d o s t a t i cm e t h o d sa r ea b u n d a n ta n dt h e o r e t i c a ls y s t e m s m a t u r e d ，i t s t i l lh a sm a n yo b v i o u sd e f e c t s b a s e do nt h ef i n i t ed i f f e r e n c e m e t h o d ，f l a cp r o g r a mi su s e dw i d e l yi nr o c ka n ds o i le n g i n e e r i n gw o r l d b u tl i t t l e s c h o l a rm a k er e s e a r c ho np e r m a n e n td i s p l a c e m e n to fs l o p ec o m m i t t e db yd y n a m i c l o a d e s p e c i a l l yi nt h ep a s tt w oy e a r s ，e a r t h q u a k e so c c u r e df r e q u e n t l y a f t e ra l l ，i ti d n e c e s s a r yf o ru st om a k er e s e a r c ho np e r m a n e n td i s p l a c e m e n to fs l o p ec o m m e t t e d b yd y n a m i cl o a d t h i sa r t i c l es u m m a r i z e st h ep r o b l e mo fs l o p ed y n a m i cs i t u a t i o n b a s e do nt h e f i n i t ed i f f e r e n c ep r i n c i p l e ，ad e t a i l e ds u m m a r ya n da n a l y s i so ft h ed y n a m i cs o l u t i o n m e t h o d ，t h ef i n i t ed i f f e r e n c ep r o g r a mf l a cs 0 1 c a r eo nt h er o c kp i l es l o p eo ft h e p e r m a n e n td i s p l a c e m e n to fad e t a i l e da n a l y s i so ft h ef a c t o r s ，i n c l u d i n gt h e f r e q u e n c y , d u r a t i o n , a m p l i t u d e ，a n ds l o p ea n g l eh i g hf i v e m a i n l yt oc a l t yo u tt h e f o l l o w i n gw o r k ： ( 1 ) o nt h eb a s i so fp r e v i o u sa c h i e v e m e n t s ，t h ei n f l u e n c ef a c t o ro fs l o p es t a b i l i t y u n d e rd y n a m i cl o a d si sc l a s s i f i e da s g e o l o g i c a lb a c k g r o u n d ，c o m b i n a t i o no ft h e s t r u c t u r eo fs l o p ea nr o c km a s sp r o p e r t i e s ，c o n d i t i o n so ft e r r a i na n dl a n d f o r ma n d h y d r o g e o l o g yc o n d i t i o n ( 2 ) t h ep a p e rd e s c r i b e st h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o dd e t a i l l y t h em e t h o dt o s o l v ed y n a m i ce q u a t i o ni ss u m m a r i e da n da n a l y z e d d y n a m i c e q u a t i o na n d c o m p u t i n gm e t h o d s ，n o n l i n e a rd y n a m i ce q u a t i o n a n dc a l c u l a t i o n m e t h o d s ， m o h r - c o l u n me l a s t o p l a s t i cc o n s t i t u t i v er e l a t i o n s a n gy i e l de r i t e r t i o n a r ea l s o i i i 武汉理工大学硕士学位论文 d i s c u s s e d ( 3 ) t h ei n f l u e n c ep a t t e no fv i s c o e l a s t i c i t yb o u n d a r yu n d e re q u a t i o no fr o c k s l o p ei sd i s c u s s e d t h em a i nf o l l o w i n gw o r k sh a sb e e nd o n ei n t h i sp a p e r ，q t h e i n f l u e n c eo fs l o p ep e m a m e n td i s p l a c e m e n tm a d eb yd y n a m i cd u r a t i o ni sd i c u s s e d ， w i t hi n c r e a s i n gd u r a t i o n ，t h es l o p ep e r m a n e n td i s p l a c e e n ti n c r e a s e d 恤ei n f l u e n c e o fs l o p ep e r m a n e n td i s p l a c e m e n tm a d eb yf r e q u e n c yi sd e b a t e di nt h ep a p e r , w i t h i n c r e a s i n gf r e q u e n c y , t h es l o p ep e r m a n e n td i s p l a c e m e n ti sr e d u c e da l lt h ew h i l e , t h ei n f l u e n c eo f s l o p ep e r m a n e n td i s p l a c e m e n tm a d eb ya m p l i t u d eo fv i b r a t i o n ， t h e i n f l u e n c eo fs l o p ep e r m a n e n td i s p l a c e m e n tm a d eb ys l o p ea l t i t u d e ，t h ei n f l u e n c eo f s l o p ep e r m a n e n td i s p l a c e m e n tm a d eb ys l o p ea n g l e ( 4 ) b a s e do ns a n l i h u as l o p eo fa c u m m u l a t i o no f r o c km a s so fy i b ah i g h w a y p r o j e c t s ，t h ep a p e rh a sd o n en e m e r i c a ls i m u l a t e dc o m p u t a t i o nu s e df l a c 2 dp r o g r a m a n df i n a l l yt h ed y n a m i cr e s p o n s eo fs a n l i h u aa c u m m u l a t i o no fr o c km a s su n d e r s e i m i cl o a d en a m e dk o b ea r ea n a l y z e d a n ds o m eu s e f u lc o n l u s i o n sd e r i v e d k e yw o r d s ：a c u m m u l a t i o no fr o c km a s s ，p e r m a n e n td i s p l a c e m e n t ，d y n a m i cl o a d s ， f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，f l a c i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 学位论文使用授权书 日期：印ld s 以 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编 本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库 使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 虢引鹳咖别獬) ： 日期：刎口5 习 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 动力问题的研究背景 边坡，是地球表面具有露天侧向临空面的地质体【比3 】，按照成因分为天然边 坡和人工边坡；按照组成成分分为岩质边坡和土质边坡。边坡稳定性问题一直 是地质工程界的研究重要课题之一。对于静力作用下的边坡问题已经有了比较 成熟的理论和处理方法，而动力作用，主要是指边坡受到地震荷载、爆破荷载 和机械振动荷载三种。就相对来说研究的不是很深入，这就要求我们对边坡的 动力问题进行进一步的研究。 我国是一个多地震的国家，历史上曾经发生许多次强烈地震，目前正处于 地震活跃期。近两年，大地震频发，2 0 0 8 年5 月1 2 日1 4 时2 8 分0 4 秒，四川 汶川、北川，8 级地震猝然袭来，这是新中国成立以来破坏性最大、波及范围 最广的一次地震。此次地震重创约5 0 平方公里的中国大地! 这次汶川地震造成 直接经济损失8 4 5 1 亿元人民币，。四j l i 最严重，占到总损失的9 1 3 ，甘肃占 到总损失的5 8 ，陕西占总损失的2 9 。此次地震共造成6 9 2 2 7 人遇难，受 伤3 7 4 6 4 0 人，失踪1 7 9 4 2 人，可谓是新中国历史上惨痛的回忆。国家统计局将 损失指标分三类，第一类是人员伤亡问题，第二类是财产损失问题，第三类是 对自然环境的破坏问题。在财产损失中，房屋的损失很大，民房和城市居民住 房的损失占总损失的2 7 4 。包括学校、医院和其他非住宅用房的损失占总损 失的2 0 4 。另外还有基础设施，道路、桥梁和其他城市基础设施的损失，占 到总损失的2 1 9 ，这三类是损失比例比较大的，7 0 以上的损失是由这三方 面造成的。地震过程中形成了大量的堰塞湖和滑坡，这些都对人们的生命财产 造成了重大威胁。今年4 月1 4 日发生的青海玉树地震，造成2 2 2 0 人遇难，失 踪7 0 人。受灾人数达到2 0 多万人。还有今年以来的智利地震等等，都给人类 造成了重大的伤害。历史上也有很多地震灾害，根据中国地震目录及其它 文献记载，仅从公元前7 8 0 年到1 9 9 2 年，在我国境内共发生大于4 7 级的地震 就超过5 1 4 2 次，自振触发的滑坡和崩塌数以千计f 5 1 。表1 1 列出了我国地震滑 坡、崩塌灾害的典型事例。 国外也有大量的地震滑坡实例。1 9 11 年发生于塔吉克斯塔的地震形成了一 个库容达1 1 亿m 3 的堰塞湖，滑坡体积2 2 亿m 3 ，天然坝长2 k m ，高6 0 0 m ，这 武汉理工大学硕士学位论文 一坝高远远高出了人类建造的土石坝的世界纪录【6 】o1 9 7 0 年5 月3 1 日秘鲁地震 ( 面波震级m s = 7 7 ) ，绝大多数人员伤亡是由于滑坡和崩塌造成的。瓦斯卡兰 山( n e v a d a sh u a s c a r a n ) 造成人员伤亡达到1 8 万人。 表1 - 1 我国地震滑坡灾害典型事例【5 】 时间( 年月 日) 地震位置 引发滑坡现象及后果 山崩致死伤4 0 0 0 0 余人， 甘肃通渭笔架山崩塌、山地土山多其中甘谷北山南移，掩埋 1 7 1 9 0 6 1 9 南崩、甘谷北山南移永宁全镇及礼辛留一部 分，死伤3 0 0 0 0 余人 海原县一个长达0 3 k m 的村庄崩倒、河床完全被壅 山体完全崩塌，西吉和固原塞；在面积约2 5 0 k i n 2 余 一带的清水河与葫芦河的的黄土地区发生流动滑 1 9 2 0 1 2 1 6宁夏海原 分水岭地区黄土滑坡十分坡，据估计，死于诱发滑 普遍，甘肃静宁西部到会宁坡的人数高达1 0 余万 东面几十公里范围内，大型人，占这次死亡总人数的 滑坡崩塌有几十处一半有余 叠溪千古城被毁，5 0 0 余 在叠溪周围1 5 k m 范围内，人伤生；岷江西岸1 0 余 19 3 3 0 8 2 5 四川叠溪滑坡和崩塌到处可见，原有个村寨崩倒，部分完全崩 地貌完全改变 入江中，岷江两岸山崩堵 江成湖 1 9 5 0 0 8 1 5 西藏察隅大量滑坡和崩塌滑坡堵江 木杆河、溪河丁木河灯陡峭滑坡堵江、崩塌造成的损 1 9 7 4 0 5 - 1 1云南昭通河谷的两岸发生大面积的失约占此次地震总损失 崩塌、滑坡 的4 0 5 0 我国是一个多山的国家，山地约占国土面积的2 3 ，有大量的自然边坡：同 时由于西部大开发战略的实施，西南和西北许多重大水利水电工程正在建设中 或处在论证阶段。这些重大水利水电工程均建于高山峡谷区，边坡极为高陡， 2 武汉理工大学硕士学位论文 以锦屏一级水电站高边坡为例，自然边坡高达1 3 0 0 r n 余。我国西部由于受印度 板块和亚欧板块的碰撞影响，青藏高原快速隆起，区域地质背景复杂、地震活 动频繁、复杂高边坡的动力问题极为突出。 由于静荷载和动荷载的不同特点，边坡在动力荷载和静荷载作用下其变形 和破坏形式是不同的。相对于边坡的静力问题而言，边坡动力问题更为复杂， 边坡动力复杂性主要表现在以下五个方面：岩土动力学的研究起步较晚，特 别是岩体动力学的研究；边坡动力问题涉及的学科领域广泛，包含岩石力学、 地质学、地震学、结构动力学、振动学等；相对于静力来说，动力问题本身 就要复杂很多；边坡动力问题方面的实际验证的实例太少。基于以上几个方 面的制约，目前国内外在边坡动力方面的研究还不是很成熟，开展边坡动力反 应和稳定性研究不仅具有重要的理论意义，还具有重大的实用价值。 1 2 问题的提出及岩堆边坡动力问题国内外研究现状 1 2 1 问题的提出 岩堆是岩石山坡经过物理、化学作用、形成岩石碎块、岩屑后，通过重力 作用或雨水作用搬运至平缓山坡或山坡坡脚上的疏松堆积物体。岩堆体一般呈 碎裂、松散状，节理、裂隙极其发育，自稳能力差。因此，岩堆边坡作为岩质 边坡的一种特例。在外界环境和人工扰动等的影响下极易发生失稳，危险性很 高。随着我国西部大开发战略实施的不断深入，高速公路的建设逐渐向西部山 区延伸。西部山区崇山峻岭、沟壑纵横交错，地质情况复杂，岩堆分布广泛， 对边坡工程、路基工程、隧道工程、桥梁工程危害很大，影响了西部交通的高 速公路的建设质量。所以，山区高速公路岩堆工程的评价与防治成为影响西部 山区高速公路建设的难题。宜昌至巴东( 鄂渝界) 高速公路途经路段地处秦岭 山脉东南麓，为强烈切割的中低山和低高山地形，区域地势复杂，地形起伏大， 沿线u 型宽谷或v 型窄谷及峡谷众多，滑坡、崩塌岩堆以及危岩体等不良地质 现象发育、工程地质条件复杂，施工条件恶劣，该公路沿线有几十余个岩堆体 边坡。由于受河谷地质条件的限制，高速公路在选线过程中穿越地质条件复杂 的岩堆体，公路施工形成的边坡绝大多数为稳定性较差的岩堆体边坡，如 k 5 2 + 6 5 0 , 、, k 5 3 + 4 5 0 段分布于雾渡河河谷及两侧斜坡的三里花岩堆区，岩堆体 体积约1 5 1 0 5 m 3 ，分布大量直径数米数十米巨型块石，河流两岸岸坡的岩堆 武汉理- 大学硕士学位论文 物质经钻探揭露厚度达4 7 m ，可见其分布范围广、厚度大。该种类型的边坡对 高速公路的建设和运营产生了很大的影响，岩堆体边坡的长期稳定性至关重要。 再则，岩堆成因复杂，节理裂隙发育，物质形态不规则，其间充填不足且多未 胶结，一旦受力或受降雨浸润，细粒成分向粗大颗粒充填或随降雨流失，改变 原岩堆的密实性和粗细粒间的接触状态，以及岩堆体的变形和力学特性，这就 决定了当路线穿越崩塌岩堆时因其结构松散，稳定性较差等特性而不宜直接作 填方路基作持力层，即便作为持力层也在细粒成分充填密实、粗粒紧密咬合状 态后；天然松散状态下切坡也会破坏其天然稳定性；在公路建设施工期及建成 后营运期，岩堆区域都是极易发生滑坡、崩塌、及边坡剥落等地质灾害的场所。 尤其在受到动荷载的作用下( 地震荷载和爆破荷载) 因此，岩堆边坡的动力方 面的研究也就迫在眉睫。 1 2 2 岩堆边坡动力稳定性研究及国内外研究现状 岩质边坡动力稳定问题主要研究内容有：动力如何作用于边坡，即动力的 输入；边坡发生失稳的位置，即边坡破坏面的位置及形状；动力作用下边坡是 否会失稳，即失稳判据；边坡失稳的结果，即永久变形或永久位移的计算。在 这几个问题中，动力荷载的考虑和破坏面的位置和形状确定是研究其他问题的 前提，边坡失稳判据和永久位移的计算是重点研究的内容【7 1 。因此，在过去的 几十年中，国内外研究人员针对动力荷载作用下边坡稳定性计算方法和安全评 价进行了大量的研究工作【8 ，1 2 踟】。 边坡的动力响应规律的研究作为边坡动力稳定分析的基础，是不可或缺的 重要组成部分。对于岩质边坡的动力响应分析，在所能检索的文献中，专门系 统的研究岩质边坡动力响应规律的文章较少。 国外卡格尔山山上和山脚两点的强余震速度观测记录，显示山顶上地震持 续时间显著增长，放大效应显著，并且位移、速度、加速度三量的放大效应不 同【9 】。1 9 7 1 年美国d a v i se ta 1 在s a nf e r n a n d o 地震的余震测量记录中发现山顶 的地震加速度相比山脚而言，放大作用明显。 高野秀夫斜坡地震效应的观测结果表明：在角度超过1 5 0 的圆锥状山体 上部点的位移幅值与下部点的位移幅值相比，其局部谱段值增加高达7 倍； 黄土阶地的幅值比底部的约大4 倍左右，比离开坡阶边缘2 5 m 的水平面处约大 2 倍左右【5 】。斜坡上的地震烈度相对于谷底大约增加1 0 左右； 4 武汉理工大学硕士学位论文 王存玉等人( 1 9 8 7 ) 在二滩拱坝动力模型试验表明：边坡的边缘部位对振动 的反应幅值较之内部( 处于同一高度上的两点比较) 也存在放大现象( 水平向放 大_ ) 。边坡顶部对振动的反应幅值较之边坡底部存在明显的放大现象( 垂直向放 大) 【l o 】。 祁生文( 2 0 0 2 ) 针对天然地震波对边坡的动力响应，研究了边坡形态对边坡 动力反应的三量在边坡剖面上分布规律的影响，利用f l a c 3 d 对边坡动力反应 的位移、速度、加速度三量分布规律进行了数值模拟，给出了均质弹性各向同 性边坡在底部输入一剪切正弦波情况下三量在二维剖面上的规律性分布图像。 在他研究的基础上，他发现了在地震荷载作用下，边坡反应的位移、速度、加 速度三量并不是像前人所说随着边坡的高度变大而单调增大，而是存在动力低 边坡效应和动力高边坡效应，低边坡效应和高边坡效应之间存在着一个临界高 度h t h e r e ，当边坡的高度小于这个临界高度h t h r e 时，在垂直方向上，边坡反 应的位移、速度、加速度随着高度的增大单调增大，当边坡的高度大于临界高 度h t h r e 时，在铅直方向上，位移、速度、加速度随着高程的增大时而增大， 时而减小，呈节律性变化，到达坡肩附近，则又重新放大，并呈现较强的线性 规律，同时在距离边坡面一定的范围内，边坡水平向的放大作用出现，随着水 平深度的进一步增加，位移、速度、加速度三量出现时而增大、时而减小的节 律性变化【1 2 , 1 3 , 1 4 。 1 3 岩堆边坡动力变形破坏类型和失稳机理研究 岩堆边坡的失稳情况，按其破坏方式主要为崩塌和滑坡两种。岩堆边坡变 形( 松动、蠕动) 发展到一定程度，将导致边坡的失稳破坏。李天池( 1 9 7 8 ) 、周 本刚等( 1 9 9 4 ) 根据我国西南地区的地震滑坡运动方式，按其特点，将地震滑坡 分为推移式滑坡、牵引式滑坡、滞留式滑坡和崩塌性滑坡四大类，并对每一类 进行了细致的描述【1 6 , 1 7 。k e e f e r ( 1 9 8 4 ) ，依据地震滑坡内部破裂、地质环境、运 动的特性等，将地震滑坡分为三大类，其中岩石滑坡分为粘聚滑坡( i 类) 和破裂 滑坡和崩落( i i 类) 【15 1 。薛守义等( 1 9 8 9 ) 在考虑到动荷载作用的特点，将边坡的 变形破坏形式分为崩塌型、滑动型、层体弯折塑性变形破坏四大类【l 引。祁生 文( 2 0 0 4 ) 将边坡的变形破坏类型归纳为无明显结构面控制以及有明显结构面 控制两大类及7 个亚类，并对其动荷载作用下的基本特点、岩体结构面的基本 条件和基本特征做了详细描述f l9 】。此外，根据地震滑坡发生的时间可分为两种 武汉理工大学硕士学位论文 类型：后发型滑坡，也就是地震发生以后发生的滑坡；同发型滑坡，即滑 坡和地震作用那个同时发生。根据统计，后一种滑坡仅1 0 左石，而后发型发 滑坡却占到9 0 ，发生的十分普遍，究其原因是因为地震动力作用下，局部地 段山体有蠕动( 即位移现象的产生) ，山体产生裂缝，但是还不能达到能使山体 整体滑动，等待雨后地表水沿地震裂缝下渗，使岩体软化，强度降低到某种程 度而使边坡失稳破坏。 地震动力作用对岩堆边坡的影响很大，其影响主要有1 2 0 】：地震和其它外 界因素共同作用造成边坡失稳，特别是降雨、洪水和地下水位的变化，加剧和 促进了破坏的形成；或者对欠稳定的岩坡发生掉块、局部崩塌和呈台阶滑坡； 地震荷载通过岩体本身不同层面与结构不连续的界面起反射和折射作用，导 致超压增大。胡广韬等( 1 9 9 5 ) 提出了坡体波动振荡加速效应假说来作为边坡的 动力失稳机制。他认为自然界孕育、发生的地震所产生的地震波虽然作用不一、 强弱不同，但对任何边坡都有影响。当天然边坡处于或接近达到极限状态时， 地震产生的惯性力会激发滑坡体骤然下滑，出现启程剧动，产生所谓的“启程剧 发速度”，并把这种效应称之为坡体振荡加速效应【2 2 1 。张倬元等( 1 9 9 3 ) 认为地震 动对边坡稳定性的影响表现为触发效应和累积效应两个方面。前者主要表现为 地震动作用触发边坡的软弱层触变软化、砂层液化以及处于临界状态的边坡瞬 间失稳等；后者主要表现为地震动作用引起边坡岩土体塑性破坏和孔隙水压力 累积上升等【2 1 】。毛彦龙( 2 0 0 3 ) 等认为地震荷载作用下，之所以形成滑坡，主要 是由于坡体波动振荡产生的；坡体波动振荡在边坡岩土体变形破坏过程中产生 三种效应：启动效应、累进破坏效应和启程加速效应【2 3 1 。祁生文认为地震荷载 作用下边坡的失稳破坏主要是由于地震产生的超静孔隙水压力迅速增大和累积 作用和地震惯性力的作用这两个方面原因造成的【2 4 1 。在强烈的地震作用下边坡 会产生2 种作用：地震产生的超静孔隙水压力迅速增大和累积作用：地 震惯性力的作用。这两种作用下的边坡将会使得边坡沿着某一滑动面的抗滑力 减少，下滑力增大，致使边坡发生失稳破坏。岩质边坡中不可避免地存在节理、 断层、软弱夹层等结构面，当地震波想要通过这些结构面时，就会发生复杂的 折射和反射现象，由于岩体的强度主要是抗压强度，抗拉强度远远低于它的抗 压强度，因此反射拉伸波将造成岩体的主要破坏；而地震动力的往返重复作用， 将导致岩体的下滑力增大、抗剪强度降低，岩体可能发生剪切破坏。但这两种 破坏形式决不会单一发生，而是拉剪共同作用的结果，其破坏程度如何与岩体 力学参数、结构面空间展布等有着密切的关系。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 地震荷载作用下岩堆边坡稳定性分析方法 动荷载作用下的岩质边坡稳定性研究是国内外学术界和工程界长期以来一 直关注的课题，就目前的发展来说，岩质边坡静力稳定性的分析方法比较成熟， 但是边坡受动荷载的情况研究的还不是很深入，处在进一步的探索当中。目前 地震荷载作用下边坡稳定性研究方法主要基于极限平衡法和应力一变形分析法 【1 1 1 。下面对常用的岩质边坡稳定性分析方法研究进展加以阐述。 ( 1 ) 拟静力法 动力分析和拟静力法( p s e u d o s t a t i ca p p r o a c h ) 相结合的方法在近几年的边 坡稳定性分析的研究中占据着很重要的位置，拟静力法实际上就是将大小和方 向都随时间变化的地震惯性力当做一个随时间不变的静荷载施加到坡体上，由 于这种方法简单实用，将动荷载简化成静荷载，因而在边坡的动力分析中得到 了广泛的应用，累积了大量的工程实际经验【2 5 1 。可是相对于拟静力法简单实用 的另一面就是，它存在几个先天的缺陷：它假定边坡是绝对的刚性体，动力 加速度和边坡加速度保持一致，但是我们知道不论是岩质边坡还是土质边坡都 是变形体而绝非刚形体；拟静力法认为拟静力是永恒不变的，但是著名学者 s e e d 指出惯性力并不是永恒不变的，而是在量级上和方向上都快速波动的，作用 于坡体上的动力加速度时间很短；拟静力法认为边坡失稳破坏的唯一方式就 是在并且只能在安全系数小于1 的情况下发生，而实际上不是这样，在坡体受动 荷载的过程当中，产生的变形可能很小，因此，就算边坡的安全稳定系数暂时 性的小于1 ，也可能只是导致破体的永久变形而并非整体性的破坏。边坡的变形 行为由变形量级而并非拟静力法的稳定性系数控制 2 6 1 。 ( 2 ) 滑块分析法 随着动力边坡动力分析方法的进一步深入研究，拟静力法的局限性渐渐的 突显出来，于是n e w m a r k 在1 9 6 5 年久提出了用有限滑动位移代替安全系数的新思 路。这种方法根据坡体可能的潜在变形来评价边坡的动力稳定性。这种方法根 据具体工程情况设定动荷载作用下的最大容许位移量，当位移小于容许值是安 全的。n e w m a r k 提出边坡稳定与否取决于动荷载引起的变形量而不是最小安全系 数。与动荷载直接相关的是应力的时程变化，而不是仅仅取决于应力的最大值。 n e w m a r k 注意到不论在什么时候，只要潜在滑动面上的诱发惯性力超过了坡体的 屈服力，滑动就会发生；当诱发惯性力改变方向时，滑动有可能停止或者出现 7 武汉理工大学硕士学位论文 往回滑动的现象【2 7 】。这种方法的关键就在于确定诱发加速度a e u ，和屈服加速度 o y ，前者可以通过平面应变或剪切楔法模型分析得到，而后者可以通过采用不 排水强度用你静力发得到。n e w m a r k 法实际上就是比较诱发加速度和屈服加速度 的大小，一旦诱发加速度大于屈服加速度，永久变形就会发生。这种方法和拟 静力法一样，同样存在缺陷它要求坡体的屈服加速度在受到动荷载的过程中不 能够有明显的随时间变小的现象，否则，就存在很大的误差。像紧密的黏土、 干砂和紧密的饱和砂土就比较适用于这种方法。但是这几种性质的土组成的边 坡在受到动荷载的过程中，不经历明显的孔隙水压力增加，其不排水抗剪强度 也就保持不变，因此在动荷载过后没有明显的稳定性问题，也就不用进行稳定 性分析2 8 1 。 ( 3 ) 数值模拟法 数值模拟方法是当下比较流行的方法，主要包括快速拉格朗r 有限差分法、 有限单元法、离散单元法、非连续变形分析方法、流形元法和几种半解析元法。 有限差分法的基本思路是用差分网格离散求解域，用差分公式将控制方程转化 成差分方程，最后结合边界条件和初始条件，求解线性方程组【2 9 1 。f l a c2 d 3 d 软件的基本原理就是有限差分法， f l a c ”代表“连续介质快速拉格朗日分析”。 f l a c 软件普遍应用于岩土工程的各个领域【3 0 】，本文也主要采用f l a c 软件来对 岩堆边坡进行数值模拟。离散单元法是在1 9 7 1 年由c u n d a l l p a 提出来的。在1 9 8 6 年由王泳嘉引入到我国【3 l 】。这种方法特别适用于节理岩体的应力分析。在采矿 隧道、边坡和基础工程方面都有很重要的应用。有限单元法综合考虑了有限应 变、空压等特性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题，它不但可以应用总应力 法，还是有效应力法的基础，可以综合考虑复杂地形、土的非线性、非均质性、 弹塑性以及土中孔隙水等因素的影响。其优点就是部分考虑边坡岩体的非均质 性和不连续性，能够给出岩体的应力、应变的大小和分布，弥补了极限平衡法 中将滑动提视为刚体而过于简化的缺点，使我们近似地从应力应变去分析边坡 的变形破坏机制，能够深入分析土的自振特性和土体各部分的动力反应，有限 元法是边坡动力分析中的重要方法。 1 5 岩堆边坡动力研究存在的问题 边坡动力问题是我们岩土学界研究的一个难点问题，就目前来说，边坡动 力方面的研究存在以下几个方面的不足： 武汉理工大学硕士学位论文 岩土动力本构关系研究不是很成熟，还没有一种特定的本构关系来研究 动力的影响，都是用静力本构关系代替，如d p 模型和m c 模型。特别是岩土材 料的本构关系研究的很不成熟。因此对于不同荷载作用方式和不同岩土体材料， 建立适合的岩土体动力本构关系的模型迫在眉睫，这无论对于理论分析和工程 实例的应用都具有重大的价值。 现有的研究主要是针对边坡是否失稳和失稳后永久位移的计算方面，而 对破坏面的形状和位移研究相对较少。 边坡动力稳定性研究依然很不成熟，能解决的方法很有限，虽然方法提 出了不少，但是这些方法都不能很好的考虑孔隙水压力，都是在无孔压的情况 下进行研究。而实际情况并非如此，边坡动力失稳破坏大多数都与动力作用下 产生的超空隙水压力有关。 大多数动力方面的研究都是针对双面坡的，主要是堤坝、坝坡和山体， 由于双面坡的研究已经在解析解上得到了验证。而对于单面坡的研究很少，这 两者由于边界上的不同而存在很大的差异。 边坡动力作用下的荷载输入问题研究相对较少，大多数学者要么假设一 个规则的波动( 正弦波或者矩形波) ，要么采用以往的强震记录，而没有考虑远 场的地质环境对近场荷载输入的影响。而实际上，在工程地震学领域已有研究 表明，地震加速度时程与边坡所在范围内的地震背景和区域地质等因素有密切 的关系。所以，按照工程地震学的方法和原理，考虑所在场地内的地震背景和 区域地质情况等因素，结合边坡工程的等级和本身的特点，进行针对的人工地 震波合成，对边坡动力方面的研究具有实际意义。 6 本文研究的主要内容 岩堆是岩石山坡经过物理、化学作用、形成岩石碎块、岩屑后，通过重力 作用或雨水作用搬运至平缓山坡或山坡坡脚上的疏松堆积物体。岩堆体一般呈 碎裂、松散状，节理、裂隙极其发育，自稳能力差。因此，岩堆边坡在外界环 境和人工扰动等的影响下，尤其是在受到动荷载( 地震荷载和爆破荷载) 的作 用下极易发生失稳，危险性很高。因此，在受到动荷载作用下，其动力稳定性 的研究显得尤为重要。所以本文运用f l a c 软件对岩堆体边坡在受到动荷载的 作用下稳定性进行数值模拟，并对岩堆体边坡在受到地震荷载作用下进行研究 分析，具体研究内容为以下几个方面： 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 就地震荷载作用下岩质边坡破坏的主要影响因素进行分析，重点讨论 地质背景、岩体结构类型、岩性组合、地形地貌、地下水等地质状况对边坡稳 定性的影响。 ( 2 ) 进行边坡动力的有限差分方法分析，以及动力方程求解方法的总结和 分析，探讨动力方程和计算方法、非线性动力方程及计算方法，边坡动力分析 中所采用的本构模型和屈服准则等。 ( 3 ) 研究分析动力荷载输入参数( 包括动力输入的时间、动荷载频率和动 荷载的振幅) 、边坡的坡高、边坡的坡角对边坡永久位移的影响。 ( 4 ) 结合工程实际，采用美国加州北岭地震荷载记录对宜巴高速三里花岩 堆边坡进行数值模拟分析研究，为工程的施工提供科学的依据。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 概述 第2 章边坡动力影响因素分析 边坡动力稳定性问题一直是岩土学界研究的难点，随着计算机科学的发展 和岩土工程实际经验的增加，边坡动力问题越来越受到岩土工作者们的重视。 边坡动力问题影响因素总体上来说可以分为内因和外因两个方面，内因主要包 括地质构造的影响、岩体结构类型的影响、岩体所处地层岩性组合的影响、地 形地貌的影响和地应力的影响。外因主要包括动荷载( 天然地震和爆破地震) 的影响、地下水的影响和人为因素的影响1 4 。 2 2 边坡动力稳定性内因分析 2 2 1 地质构造的影响 边坡所处的地质环境是指边坡所处位置的区域性构造大断裂的发育情况， 边坡所处的大地结构单元不仅决定了地质发育情况的不同，还控制了边坡岩体 的底层结构和边坡岩体的强度。区域性大断裂对边坡的动力稳定性有有利和不 利影响两个方面，首先，有利的一面是指大断裂对动力波的能量传播路线上有 阻碍作用，从而降低了动荷载对边坡的破坏作用。但另一方面就是断裂带所处 位置边坡岩体破碎，从而降低了边坡的自稳能力。 简而言之，断层对边坡稳定性的影响主要表现在以下几个方面：断层使得 边坡的连续性和完整性受到破坏；断层带内岩石破碎，风化严重，是地下水丰 富和活动的地区，岩体的抗剪强度往往较低，边坡抵抗变形的能力较差；断层 作为地震波德反射界面，反射拉伸波德作用可能导致岩体受拉力破坏【4 1 4 2 】。 2 2 2 岩体结构的影响 对于岩质边坡来说，边坡是由各种各样的结构面和结构体组合而成，而不 是整体的一块。因此，岩质边坡的强度就是由结构体的强度和结构面的强度共 同决定的了，当结构体的抗剪强度较大时，则抗剪强度相对较低的软弱结构面 武汉理工大学硕七学位论文 就成为影响岩体边坡稳定性的主导因素。按照边坡结构面的发育情况，可以把 常见的岩体结构类型分为：块状结构、镶嵌结构、破碎结构、层状碎裂结构、 层状结构、散体结构等。 不同结构的岩体，其崩塌破坏的类型和规模有很大的不同。如整体块状结 构的岩体，在动力波作用下的变形特征接近于均质弹性体，其边坡的岩体强度 较高，地震期间一般不会发生失稳破坏。但当其中又不利于岩体稳定的结构面 是，在高烈度的区域可能发生规模巨大的崩塌；对于镶嵌结构岩体来说，动力 作用可能造成边坡局部的崩塌和落石，但一般不会造成大规模的失稳。碎裂结 构岩体的动力作用反应比较强烈，强烈的动力作用会导致碎裂结构的岩体松动， 造成大量的崩塌、落石和小规模的滑动；层状结构受岩体结构面倾角、内摩擦 角和边坡倾角的控制，当层状岩石中有不利于岩石稳定的结构面发育时，在动 力作用下可能沿层面产生滑动或产生崩塌。一般说来，岩体中崩塌的数目尽管 很多，但是规模一般都不是特别大；散体结构的岩体稳定性很差，对动力作用 的反应比较强烈，在高烈度的区域内可能发生岩石散落、化他和小规模的滑动 甚至还可能导致大规模的滑坡。 2 2 3 岩性组合的影响 岩性组合是指组成边坡的物质基础，对边坡的高度、坡度都具有很重要的 控制作用。地层岩性的不同，岩体的抗剪强度也就各不相同，发生滑坡的难易 程度也就不同。由石灰岩、花岗岩和石英等致密坚硬的块状岩石组成的边坡， 抗剪强度很大，能承受很大的剪切力而不发生变形，因此，在动力作用下，由 这些岩石组成的边坡很稳定，很少发生滑坡垮塌。但是在另一个方面，由粘土、 泥岩、页岩、泥灰岩以及他们的变质岩组成的岩体边坡，由于这几种岩性的岩 体风化程度高，风化