摘要
目前对边坡进行的动力分析多是针对土质边坡或岩质边坡,忽略了土石混合体边坡这一特殊岩土体边坡,而少有的研究中都是将土石混合体边坡简化为等效均质土坡,忽略了块石的存在。利用数字图像处理技术,建立某一实际土石混合体边坡的细观结构模型,利用有限差分软件FLAC3D的动力分析模块分析对比了等效均质土坡与土石混合体边坡在地震荷载作用下的变形及稳定性。结果表明:土石混合体边坡在地震作用下首先在坡脚处出现剪切破坏,随作用时间增加逐渐在顶部产生拉裂破坏,最终形成完整的破坏带;土石混合体边坡的滑面受石块位置制约,具有“绕石现象”;在相同地震荷载作用下,土石混合体边坡破坏区贯通比等效均质土坡慢,最终产生的永久位移比等效均质土坡产生的永久位移小,块石的存在增加了土石混合体边坡的抗剪强度,提高了其稳定性。
∗ 收稿日期:2019-09-13;修回日期:2020-02-08
地震是自然界中边坡失稳的一个重要诱因,2008年汶川地震引发了大量的山体滑坡、泥石流等地质灾害,造成了严重的人员伤亡和财产损
已有学者对边坡在地震作用下的响应机理与变形特征进行了大量的研究。徐光兴
土石混合体边坡是自然界中广泛存在的一种介于土质边坡与岩质边坡的特殊岩土体边坡,内部块石的存在使土石混合体边坡具有显著的不均匀性和不连续性。徐文杰
利用数字图像处理技术建立某一真实土石混合体边坡细观结构模型,在有限差分软件FLAC3D中选择合适的边界条件及阻尼,选取Loma‑Prieta大地震的加速度时程曲线用于动力分析。
数字图像处理是指借助于计算机来处理数字图像,已在岩土工程界中得到广泛应

图1 实际的土石混合体边坡图像
Fig.1 Photograp of a soil-rock mixture slope

图2 矢量化土石混合体边坡模型
Fig.2 Model of soil-rock mixture slope

图3 FLAC3D中生成的土石混合体边坡模型
Fig.3 Model of soil-rock mixture slope in FLAC3D
在FLAC3D中设置土与石块为弹塑性材料,服从Mohr‑Coulomb强度准则,其物理力学参数见
动力分析时的边界条件底部设置为黏性边界,两侧设置为自由场边界,阻尼设置为局部阻尼,阻尼系数为0.125。边坡破坏一般是由地震波中的横波造成的,在模型底部输入Loma‑Prieta大地震的横波,将加速度峰值(PGA)设置为0.25g,相当于Ⅷ级地震烈度,并进行滤波和基线校正处理,地震持时20 s,其加速度时程曲线如

图4 地震波加速度时程曲线
Fig.4 Time-history of the acceleration of earthquake
当模型底部为黏性边界时,需要将加速度时程转化为速度时程,如
(1) |
(2) |
式中,、分别为法向应力和切向应力;为介质密度;、分别为P波和S波的波速;、分别为模型边界上法向和切向的分量。

图5 地震波速度时程曲线
Fig.5 Time-history of the velocity of earthquake
通过在边坡底部设置监测点,得到的加速度时程曲线与输入地震波的加速度时程曲线吻合良好,说明地震波的输入是正确的。
在进行边坡破坏分析时,可以通过在FLAC中查看单元塑性区云图、剪应变增量云图等方式确定边坡的破坏形式和滑带位置。

图6 不同时刻土石混合体边坡塑性云图
Fig.6 Plastic state contour of the SRM slope at diffident times

图7 地震作用结束时剪应变增量云图
Fig.7 Nephograms of shear strain increment of SRM slope at the end of the earthquake

图8 土石混合体内部类软弱夹层
Fig.8 Soft interlayer in the SRM slope
由于块石的存在,使得土石混合体边坡具有复杂的内部结构特征,这是其与土质边坡最大的不同点。通过将相同地震荷载作用在等效均质土坡上,分析在地震作用下,两者破坏与变形机理的区别。

图9 不同时刻土质边坡塑性云图
Fig.9 Plastic state contour of the soil slope at diffident times
即使已经确定了土石混合体边坡在地震作用下的破坏带位置,但这并不足以判定边坡失稳破坏。一般情况下,边坡在地震作用结束后往往会产生永久位移,若该位移在地震结束后保持不变,则边坡并没有产生完全的失稳破坏;若地震结束后位移仍不断增加,则可以判定此时边坡已失稳破

图10 土石混合体边坡关键点位移曲线
Fig.10 Displacement time-history at SRM slope’s key points

图11 土质边坡关键点位移曲线
Fig.11 Displacement time-history at soil slope’s key points
将峰值加速度(PGA)调整到0.2g后,发现等效均质土坡与土石混合体边坡均未发生破坏。如

图12 坡面监测点位移对比
Fig.12 Displacement comparison of monitoring points
利用数字图像技术对某一真实土石混合体边坡进行处理,得到其细观结构模型,然后利用有限差分软件FLAC3D对其进行动力分析,得出以下结论:
(1) 土石混合体边坡在地震作用下首先在坡脚处产生剪切破坏,从坡脚向上发展,随地震作用的进行,逐渐在坡顶产生拉裂破坏,并形成贯通的破坏区。土石混合体边坡内部会产生“绕石”的滑带,在特定土石排列情况下会沿着“类软弱夹层”发展,在边坡破坏的情况下滑带并不会贯通,而是与边坡顶部的拉裂破坏共同形成边坡的破坏带。
(2) 在相同地震荷载作用下,土石混合体边坡内部塑性破坏区贯通需要的时间比等效均质土坡的长。土石混合体边坡内部剪切破坏区存在“绕石”现象。
(3) 在地震烈度为Ⅷ级的情况下,该土石混合体边坡在地震作用结束后位移仍不收敛,最终失稳破坏。相较于等效均质土坡,土石混合体边坡所产生的永久位移要小得多,内部块石的存在提高了土石混合体边坡的稳定性。
参考文献
Yin Y P, Wang F W, Sun P. Landslide hazards triggered by the 2008 Wenchuan earthquake, Sichuan, China[J]. Landslides,2009,6(2):139-151. [百度学术]
徐光兴,姚令侃,高召宁,等.边坡动力特性与动力响应的大型振动台模型试验研究[J].岩石力学与工程学报,2008,27(3):624-632. [百度学术]
Xu G X, Yao L K, Gao Z N, et al. Large-scale shaking table model test study on dynamic characteristics and dynamic responses of slope [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008,27(3):624-632. (in Chinese) [百度学术]
郑颖人,叶海林,黄润秋.地震边坡破坏机制及其破裂面的分析探讨[J].岩石力学与工程学报,2009,28(8):1714-1723. [百度学术]
Zheng Y R, Ye H L, Huang R Q. Analysis and discussion of failure mechanism and fracture surface of slope under earthquake [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009,28(8):1714-1723. (in Chinese) [百度学术]
言志信,曹小红,张刘平,等.地震作用下黄土边坡动力响应数值分析[J].岩土力学,2011,32(增2):610-614. [百度学术]
Yan Z X, Cao X H, Zhang L P, et al. Numerical analysis of loess slope dynamic response under earthquake [J]. Rock and Soil Mechanics, 2011,32(Sup2):610-614. (in Chinese) [百度学术]
Liu J Y, Liu J K, Su Z Q, et al. Numerical simulation of roadbed slope under seismic action in permafrost regions [J]. Sciences in Cold and Arid Regions, 2013, 5(5): 540‑547. [百度学术]
Lu L, Wang Z J, Song M L, et al. Stability analysis of slopes with ground water during earthquakes[J]. Engineering Geology, 2015,193: 288-296. [百度学术]
谭儒蛟,李明生,徐鹏逍,等.地震作用下边坡岩体动力稳定性数值模拟[J].岩石力学与工程学报,2009,28(增2):3986-3992. [百度学术]
Tan R J, Li M S, Xu P X, et al. Numerical simulation of dynamic stability of slope rock mass under seismic loading[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering. 2009,28(Sup2):3986-3992. (in Chinese) [百度学术]
Gali M L, Arunakumari G. Seismic stability analysis of a himalayan rock slope[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2010,43(6):831-843. [百度学术]
姜彤,刘远征,马瑾.节理岩质边坡地震时程响应分析[J].岩石力学与工程学报,2013,32(增2):3938-3944. [百度学术]
Jiang T, Liu Y Z, Ma J. Time history response analysis of jointed rock slope under seismic loads[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013,32(Sup2):3938-3944. (in Chinese) [百度学术]
Srikrishnan S, John L P, Hemant A. Impact of earthquake on mining slopes—a numerical approach[J]. Arabian Journal of Geosciences, 2014,7(12): 5193-5208. [百度学术]
Jiang X Y, Cui P, Liu C Z. A chart-based seismic stability analysis method for rock slopes using hoek-brown failure criterion [J]. Engineering Geology, 2016,209: 196-208. [百度学术]
Che A L, Yang H K, Wang B, et al. Wave propagations through jointed rock masses and their effects on the stability of slopes[J]. Engineering Geology, 2013,201: 45-56. [百度学术]
Valentin S G, Erik E, Jeffrey R M, et al. On the seismic response of deep-seated rock slope instabilities — Insights from numerical modeling [J]. Engineering Geology, 2015,193: 1-18. [百度学术]
Azizabadi H R M, Mansouri H, Fouche O. Coupling of two methods, waveform superposition and numerical, to model blast vibration effect on slope stability in jointed rock masses[J]. Computers and Geotechnics, 2014,61: 42-49. [百度学术]
卞康,刘建,胡训健,等.含顺层断续节理岩质边坡地震作用下的破坏模式与动力响应研究[J].岩土力学,2018,39(8):3029-3037. [百度学术]
Bian K, Liu J, Hu X J, et al. Study on failure mode and dynamic response of rock slope with non-persistent joint under earthquake[J].Rock and Soil Mechanics, 2018,39(8):3029-3037. (in Chinese) [百度学术]
Zhou Z J, Ren C N, Xu G J, et al. Dynamic failure mode and dynamic response of high slope using shaking table test[J]. Shock & Vibration, 2019, 2019: 1-19. [百度学术]
徐文杰,谭儒蛟,杨传俊.基于附加质量的土石混合体边坡地震响应研究[J].岩石力学与工程学报,2009,28(增1):3168-3175. [百度学术]
Xu W J, Tan R J, Yang Ch J. Research on seismic response of soil-rock mixture slope based on added mass[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28(Sup1):3168-3175. (in Chinese) [百度学术]
Xu W J, Xu Q, Hu R L. Study on the shear strength of soil–rock mixture by large scale direct shear test.[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2011,48(8): 1235-1247. [百度学术]
Xu W J, Yue Z Q, Hu R L. Study on the mesostructure and mesomechanical characteristics of the soil-rock mixture using digital image processing based finite element method[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2008, 45(5): 749‑762. [百度学术]
Han J J, Liu B X, Zhang D L. Stability analysis of S-RMS under seismic loading [J]. Advanced Materials Research,2011,261-263:1336-1340. [百度学术]
Chen S, Yue Z Q, Tham L G. Digital Image-based numerical modeling method for prediction of inhomogeneous rock failure[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2004, 41(6): 939‑957. [百度学术]