变形机制的数值模拟

1、变形机制的数值模拟：本文以雅泸高速公路K136+150K136+300m段反倾向岩质边坡为例。采用基于离散元法原理的计算软件UDEC，在充分研究边坡工程地质条件的根底上，模拟研究了反倾向岩质边坡在地震作用下的变形破坏机制及失稳破坏模式，进而分析了边坡的稳定性。结果说明边坡在地震作用下其变形破坏是岩体松动倾倒崩塌;的过程，此过程经历的时间较短，往往是在振动持时内完成。关键词：岩质边坡 数值模拟 破坏机制 雅泸高速雅泸高速公路地处我国著名的川滇南北构造体系北段和青藏川滇缅印尼歹字型构造体系中段的复合部位，区域内挤压褶皱和活动断裂众多，是我国主要的造山带和地震带之一【2】，线路屡次跨越发震断裂。所研

2、究边坡位于我国南北向地震带川滇地震区冕宁西昌地震带石棉冕宁段，属强震到弱震活动的过渡带。边坡的近场区主要涉及的断裂或断层为安宁河断裂和铁寨子断层【3】。安宁河西支断裂有现代强震活动，弱震成带分布特征；安宁河东支断裂有强震活动，弱震成带分布特征；在时间上，地震活动具有明显的韵律性，强弱变化交替进行2 边坡工程地质条件研究区属亚热带湿润气候，受地形影响，山谷高差悬殊，气候立体变化明显，兼有高原气候特点。交通论文边坡左右两侧均为冲沟，冲沟切割深度不大，边坡从地形上看上缓下陡。边坡所在区地层主要为震旦系花岗岩，局部有辉绿岩及第四系堆积体。根据现场调查，边坡发育的结构面主要为四组构造节理，未见断层、挤压

3、带等规模较大的结构面。在自然状态下边坡将以倾倒拉裂崩塌的模式变形破坏失稳。离散元法【4】将区域离散成刚性或可变形块体单元。单元之间可以看成是角-角接触，角-边接触或边-边接触，而且随着单元的平移和转动，允许调整各个单元之间的接触关系。块体边界作为不连续界面通过线性或非线性节理本构模型规定界面上的力和位移关系，对于变形块体，块体内部差分为四面体常应变单元，作用力被集中在节点上。单元之间相互作用的力可以根据力和位移的关系求出，而个别单元的运动那么完全根据该单元所受的不平衡力和不平衡力矩的大小按牛顿运动定律确定。根据边坡的工程地质条件、地貌特征等因素，选取11剖面作为模型中的计算剖面，生成的模型如图

4、31所示。整个坡体高度为55m，宽度为55m；模型以高程1298为相对零点，南桠河面高程为1312m，相对高差为14m，坡顶高程为1353m，相对高差为55m。建立的模型共有90个块体84586个单元。计算采用莫尔-库仑屈服条件的弹塑性模型。通过试验与工程地质类比，确定岩体的物理力学参数见表31。表31 节理面力学参数结构面切向刚度(MPa)法向刚度(MPa)内聚力(kPa)内摩擦角()抗拉强度(kPa)内聚力(kPa)暴雨内摩擦角()暴雨节理1201204724204322经过6350步迭代，天然条件下，迹线说明模型的运算收敛较快，验证了模型的正确性。为了研究边坡在地震作用下的加速度、速度、

5、位移响应过程，在模型中设置9个位移监测点。19监测点是用于监测坡体在X向水平向的响应过程，1119监测点专用于监测坡体在Y向竖直向位移，其中1与11、2与12坐标相同，其他类推；1、4、5监测点高程与坡脚相同，距坡面水平距离分别为1m、13m、26m；2、6、7监测点距坡脚垂直距离为8m，距坡表水平距离分别为1m、13m、26m；3、8、9监测点距坡脚垂直距离为16m，距坡表水平距离分别为1m、13m、26m。表32位移监测点坐标表11212313414515616717818919X484443362336233623Y1422301414222230304.1边坡监测点水平向位移响应为了便

6、于比照研究在地震作用下边坡前缘位移的响应过程，大学生将监测点按照水平面坐标相同，高程不同，分为4、6、8与5、7、9两组；按照高程相同，水平面坐标不同，分为1、4和5、2、6和7、5、8和9三组。提取1、2、3观测点位移矢量图以及位移变化曲线图图41、42，位移和位移矢量图说明：前缘顶部2、3监测点位移最大，为1.73m，且其位移曲线的斜率仍然为正，说明岩体将继续运动，即发生崩塌；底部1监测点位移较小，为46cm。根据提取的位移曲线图可以看出，在边坡前缘未发生崩塌部位，其水平向最大变形位移在坡体顶部6监测点，为61.6cm，而坡体底部4监测点其最大仅为30cm。从三组的位移变化规律可以看出，同

7、一高程、不同水平面坐标的监测点水平向位移随其与坡面水平距离的减小而增大，即监测点越靠近坡面，位移变化越大。根据上节边坡的位移响应可知，1、2、3监测点所在处发生崩塌，其加速度峰值与坡体内未发生崩塌处的监测点加速度峰值不具有可比性，在同一高程的监测点，其与坡面的距离越小，其峰值加速度越大。采用同样的方法分析在同一水平面坐标、不同高程的4、6和8，5、7和9两组监测点的峰值加速度发现：在同一平面坐标的监测点，其加速度峰值随高程的增高，依次增大。为了验证其放大效应，在模型相对高程22m实际高程1334m水平面内等间距间隔10m提取坡内质点的加速度，获得其放大效应的趋势线，其放大曲线的斜率为0.025

8、图43；同样的方法，在距离坡脚23m的竖直平面内提取坡体质点的加速度，获得其竖直向放大趋势线，其放大曲线的斜率为0.059。综合边坡监测点的位移、加速度和速度变化曲线，可以看出边坡各点在地震作用下位移、加速度和速度的响应与其位置有重要关系，在同一水平面坐标，不同高程上的监测点，其位移、加速度和速度三量随着高程的增大而增大，即三个量均具有竖直向放大效应；在同一高程，不同水平面坐标的监测点，其位移、加速度和速度三量随其与坡面水平距离的减小而增大，即监测点越靠近坡面，其三量变化越大；结合监测点的位移、加速度和速度变化曲线，在地震作用下，边坡的变形破坏机制是如下过程图4445：首先，在地震作用下，边坡

9、前缘坡脚处出现张开裂隙，即破裂面，岩体倾倒；其次，裂隙沿着节理延伸至坡顶，导致坡顶出现拉裂缝，企业管理论文破裂面贯穿；最后，破裂面贯穿后，坡体出现滑移以及崩塌；整个失稳的运动过程为倾倒拉裂崩塌。图44 100419时步的变形图45 369296时步的变形论利用基于离散元法原理的大型商业化数值计算软件UDEC，研究了边坡的变形破坏机制以及失稳模式等，根据数值模拟中边坡在地震作用下的位移、速度加速度的响应，可以得出以下认识：1在地震作用下边坡出现范围较大的松动区，其范围在高程13121353m之内。在地表出现明显沿节理延伸的张拉裂缝；坡体前缘坡顶处水平向最大位移为61.6cm，竖直向最大位移为35cm；坡脚水