地震荷载作用下岩石边坡节理面的动力响应破坏研究

杨成铭吴宏阳邹飞

摘 要：为了研究地震作用下岩石边坡节理面的动力响应和破坏特点，本文利用大型有限元软件ANSYS建立了含节理面的岩石边坡模型。通过数值模拟发现节理面将岩石边坡分成两个部分，两部分的应力、应变和动力响应由于节理的存在而发生显著的变化，在节理面处产生集中和跳跃现象，同时还发现节理面角度越大，则岩石边坡节理面滑移距离越大，在整个地震作用的时间内，节理面的滑移不是连续变化的，而是分成三个阶段。

关键词：岩石节理面；地震作用；动力响应；数值模拟

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1 引言

岩体的力学特性和稳定性不仅受其本身强度参数的影响，还很大程度上还取决于其完整程度、节理及软弱结构的影响。以往在进行岩质边坡稳定性分析时往往采用岩体强度控制而不是采用结构面强度控制，而实际上岩体结构面的强度参数要比岩石的强度低得多，因此对于岩质边坡来说起控制作用的是节理结构面强度。地震作用下岩体破坏主要发生在岩体的节理面上，岩体节理面的强度和力学性质成为影响岩体破坏的主要控制因素。地震诱发的岩质边坡破坏(滑动和坍塌)是常见的地震灾害，特别是在我国西部山区和丘陵地带，地震诱发的边坡破坏分布广泛，汶川8.0级大地震造成的山体滑坡给灾区人民的生命和财产安全造成巨大的危害。因此研究地震作用下节理面的动力响应和破坏特点具有十分重要的意义。

国内外学者针对岩体节理面的破坏模式做了大量的研究工作，祁生文[1](2004)分析了边坡在动力作用下的可能破坏形式，对地震边坡的失稳机制进行了探讨，认为地震边坡的失稳是由于地震惯性力的作用以及地震产生的超静孔隙水压力迅速增大和累积作用这两个方面原因造成的。梁庆国[2](2007)研究垂直向地震作用对节理岩石边坡失稳破坏的影响，研究认为在岩石边坡节理分布特征和静态应力场一定的初始条件下,第一个导致岩体中产生破裂的地震动加速度幅值及其方向的组合唯一地决定了岩体不可逆破坏发展的方向、机制及最终的破坏特征,其复杂性远大于静力作用时的情况。林永亮[3](2008)研究了地震作用下节理岩体的抗震稳定性分析，初步分析了地震荷载作用下坡度、节理面倾角、拉裂深度、地震荷载及强度参数对抗震稳定性的影响。纵观国内外的研究现状发现目前大多数学者研究主要集中在含有节理的岩石边坡破坏研究，而针对地震作用下节理面的动力时程响应研究却很少，本文在前文研究的基础上，主要分析节理面在地震作用下的动力响应，对分析节理岩石边坡的地震破坏模式具有十分重要的意义。

2 地震作用下含节理面岩石边坡数值模拟

2.1 建立数值模拟模型

根据中国科学院成都地理研究所[4]（1978）调查指，在我国，地震条件下斜坡容易发生滑坡的斜坡角度为20°~60°。为了研究地震作用下岩石边坡节理面的动力响应，本文简化节理面，将其假设为直线，建立了坡角为42°的含节理面的岩石边坡模型，模型长和宽都是100m。利用大型有限元软件ANSYS建立的模型并进行网格划分如图2.1所示。

图2.1 数值模拟网格划分模型

2.2 模型物理参数及地震动力荷载输入

滑坡体模型被节理面划分为基岩和滑坡体两个部分，节理面简化为直线型，为反映出节理面的粗糙程度，在节理面建立了接触对，节理面的摩擦系数为Mu=0.35，模型的底部和周边采取固定边界，在斜坡体滑移面方向和竖直方向自由。滑坡为岩质斜坡，斜坡材料计算参数见表2-1。

表2-1 模型材料物理力学参数

岩层 弹性模量 泊松比 容重 抗剪强度

E/GPa ν γ/kN •m-3 φ/ ° C/MPa

滑体 0.35 0.3 23 25 1.0

基岩 3.1 0.25 27 36 0.7

结构的动力分析采用瞬态动力分析方法，即时程分析法。记录时间为5s，时间间隔为0.01s共计50个记录值。根据基本烈度表，基本烈度为7、8、9度时，地面运动的最大加速度av加速分别为0.125g、0.25g、0.5g。

3 地震作用下岩石边坡节理面的动力响应分析

3.1 地震作用下节理面的动力响应

在地震作用下，含有节理的岩石边坡的应力和应变在节理面处发生显著的变化，节理面将一个完整的岩体划分成两个部分，这两部分的岩体的应力和应变规律不一致，岩石边坡的应力和应变在节理面处产生应力集中的现象，由此节理面成为岩石边坡的薄弱面，在地震作用下极易发生破坏，从而导致整个边坡的失稳破坏。为了单独分析节理面的在地震作用下的动力响，本文利用软件建立节理面，并只考虑节理面的应力、应变及滑移距离，从而分析节理面在地震作用下变形破坏的机理。

图3.1 地震作用下节理面应力云图

图3.2 地震作用下节理面滑动位移云图

图3.3 地震作用下节理面震颤云图

从图3.1-图3.3可以看出，在地震作用下，节理面处的应力、位移和震颤沿着节理面变化，节理面的应力在底部的中间部位应力最大，而位移则是在节理面的转折处产生集中的现象，而岩石边坡在地震作用下的震颤则大小交替变化，

3.2 地震作用下岩石边坡节理面滑移响应数值模拟

为了研究岩石边坡节理角度变化对维滑坡体滑动的动力响应，分别建立了节理面角度α=8°、18°、28°和38°共计四种角度下的节理面模型。通过观测点来分析地震作用下接触面的滑移距离，如图3.4所示。

图3.4不同节理面角度下岩体滑移时程曲线

图3.4可以看出，节理面角度α越大，则节理面处的滑移距离也越大；在整个地震作用的5s内，节理面的滑移不是连续变化的，而是分成三个阶段。在0~0.6s 滑移距离缓慢增大，在0.6s~1s是稳定阶段，随后又开始快速增大到1.3s左右再次进入稳定阶段，在1.5s~2s滑移距离急剧增大，2s后滑移距离基本保持不变。说明地震作用的整个周期内节理面的滑移只在特定的时间段内产生滑移，在其他时间内是能量聚集的过程，到2S后滑移距离不变说明滑坡已经完全失稳破坏。

4 结论

本文利用ANSYS软件模拟了地震作用下岩石边坡节理面的动力响应和破坏特点，利用软件建立了含节理面岩石边坡模型。通过分析模型节理面处的位移、应力和滑移距离的动力响应分析，主要得出了以下结论：

1）地震作用下，节理面将一个完整的岩体划分成两个部分，这两部分的岩体的应力和应变规律不一致，岩石边坡的应力和应变在节理面处产生应力集中的现象，由此可以看出节理面是岩石边坡的薄弱面，在地震作用下极易发生破坏。

2）地震作用下，节理面处的应力、位移和震颤沿着节理面变化，节理面的应力在底部的中间部位应力最大，位移则是在节理面的转折处产生集中的现象，而岩石边坡在地震作用下的震颤则大小交替变化。

3）地震作用下，节理面角度α越大，则节理面处的滑移距离也越大；在整个地震作用的5s内，节理面的滑移不是连续变化的，而是分成三个阶段。地震作用的整个周期内节理面的滑移只在特定的时间段内产生滑移，在其他时间内是能量聚集的过程。

参考文献：

[1] 祁生文, 伍法权, 刘春玲, 丁彦慧. 地震边坡稳定性的工程地质分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2004, 23(16):2792-2797.

[2] 梁庆国, 韩文峰, 赵士耀. 垂直向地震作用对节理岩体失稳破坏的影响[J]. 西北地震学报, 2007, 29(4):307-313.

[3] 林永亮, 李新星. 地震作用下节理岩体的抗震稳定性分析[J]. 长江科学院院报，2008, 25(5):103-106.

[4] 乔建平. 滑坡减灾理论与实践[M]. 北京: 科学出版社, 1997.

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。