基于临界位移的顺层岩体边坡地震安全评价方法

雷克儿

地震诱发的顺层岩体边坡破坏是常见的地质灾害，特别是在山区和丘陵地带。地震诱发的顺层滑坡往往分布广、数量多、危害大。随着我国西部大开发战略的实施，一大批大型水利水电工程已经在我国西部开工建设，然而这些工程中的多数处在西部地质构造复杂的高山峡谷地区，地形起伏大，河谷深切，山势陡峻，峰谷高差达数百米，坝址以及库区边坡中相当一部分为顺层岩体边坡，在地震作用下更易发生顺层滑动。因此，如何保证地震作用下顺层岩体边坡安全将是工程建设中需要解决的关键技术难题之一。本文以“5.12”汶川地震诱发的干磨坊滑坡为研究对象，基于相似理论，设计并开展了几何尺寸比为1：100的顺层岩体边坡大型振动台物理模型试验，对边坡的动力响应和破坏机理展开了详细研究。基于室内直剪试验，建立了节理非线性滑移劣化分析模型，采用Fish语言编译了离散单元程序可调用的程序，在此基础上开展了地震作用下顺层岩体边坡永久位移的数值模拟分析，建立了不同回归参数组合形式的位移预测模型。最后研究了地震作用下边坡临界位移随节理力学特性和边坡几何特征的变化规律，建立了临界位移随节理力学参数和边坡几何特征等因素的量化表征模型。论文取得了以下研究成果：（1）基于振动台物理模型试验，对顺层岩体模型边坡施加不同地震动参数的水平单向地震波，详细分析了边坡的动力响应和破坏特征，得出以下主要结论：①顺层岩体边坡的加速度响应具有高程放大效应，且在边坡同一高程的水平面上，在距边坡一定深度范围内边坡加速度响应存在趋表放大效应。②确定了干磨坊模型边坡的自振频率为2.54Hz；研究发现加载频率对顺层岩体边坡的加速度动力响应有显著影响：当加载频率未超过边坡自振频率时，加载频率越大，水平向PGA放大系数越大；超出边坡自振频率后，水平向PGA放大系数明显降低。③加载幅值对顺层岩体边坡的加速度动力响应同样有显著影响。当加载频率未超过边坡自振频率时，加载幅值越大，水平向PGA放大系数越大；当加载频率接近和大于边坡的自振频率时，低幅值的输入波对水平向PGA放大系数影响更为显著。此外，研究还发现，输入波持时对加速度动力放大效应影响不明显，对于后续基于数值模拟研究边坡的加速度动力响应规律时，可适当缩短地震波的持时从而提高计算效率。④根据坡面的位移监测曲线和边坡的破坏特征确定了在加载幅值为0.6g时模型边坡处于临界滑动状态，此时对应的位移7.3cm即为该边坡的临界滑动位移。⑤通过分析试验过程中模型边坡的渐进破坏照片和录像资料，地震作用下顺层岩体边坡的破坏模式可归结为：坡肩局部开裂→坡顶出现走向贯穿裂缝→坡脚稍上位置的坡面隆起→坡面隆起部位、层面以及坡顶贯穿裂缝三者贯通→发生浅部滑动破坏。（2）基于室内直剪试验，建立了节理的非线性滑移劣化方程，采用Fish语言编译了节理非线性滑动弱化计算程序并嵌入到离散元程序中，开展了地震荷载作用下顺层岩体边坡永久位移的数值模拟研究，结果表明当考虑节理劣化效应时，数值模拟结果更接近于实际情况，验证了建立的节理非线性滑移劣化分析模型的适宜性。（3）基于数值模拟，并考虑节理力学参数的劣化效应，采用Arias强度IA、临界加速度ac及临界加速度比ac/amax等地震动参数的不同组合表达形式，构建了5种边坡地震永久位移预测模型。回归分析结果表明以修正的地震剩余强度为回归参数以及以临界加速度比对数和Arias强度对数为回归参数的两种分析模型可以较为准确地预测干磨坊滑坡及其附近区域的顺层岩体边坡永久位移。（4）数值模拟结果表明，临界滑动位移值与地震荷载持时和频率无关；采用强度折减法确定了顺层岩体模型边坡的临界位移约为4.13cm。此外，基于数值模拟和正交试验，建立了临界位移随节理力学参数和边坡几何特征等因素的量化表征模型，并对边坡临界位移的影响因素进行了敏感性分析与排序，各因素的敏感性程度排序依次为：坡高>；滑动面倾角>；节理内摩擦角>；节理粘聚力>；坡角。（5）根据强度折减法确定边坡的临界位移阈值，分别提取不同动力加载条件下边坡的永久位移值，并与临界位移值比较，当永久位移值小于临界位移值时，可认为边坡处于稳定状态；当永久位移值大于临界位移值时，即认为在该加载条件下边坡失稳破坏，从而提出了基于临界位移的边坡安全位移评价方法。根据建立的边坡地震永久位移预测模型确定地震作用下边坡的永久位移，并分析其与边坡临界位移的量化关系，尝试提出了基于临界位移与永久位移比值的边坡安全系数评价方法。