工程地质学报  2017, Vol. 25 Issue (6): 1537-1546   (11035 KB)    
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  • 收稿日期:2017-01-07
  • 收到修改稿日期:2017-05-01
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    梁敬轩
    胡卸文
    许晓君
    基于不同地质要素土质边坡的地震变形破坏颗粒流模拟
    梁敬轩, 胡卸文①②, 许晓君    
    ① 西南交通大学地球科学与环境工程学院 成都 610031;
    ② 西南交通大学高速铁路运营安全空间信息技术国家地方联合工程实验室 成都 610031
    摘要:为探讨地震作用下松散堆积体边坡的变形破坏特征,采用颗粒流模拟程序(PFC2D)输入水平向汶川地震波,对不同坡度及不同细观参数的土质边坡进行动力作用下变形破坏的全过程模拟。研究表明,相同地震力作用下坡度主要影响土质边坡的破坏范围,边坡越陡,破坏深度越大,破坏边界越靠后;而细观参数则影响边坡的破坏形式,黏性土边坡的滑体保持了较好的整体性,滑面呈弧形;而砂性土边坡的破坏具有流变性且滑面呈上陡下缓的折线形。
    关键词汶川地震    土质边坡    颗粒流(PFC2D)    失稳模式    
    PARTICLE FLOW SIMULATION OF EARTHQUAKE INDUCED DEFORMATION FAILURE OF SOIL SLOPES WITH DIFFERENT GEOLOGICAL FACTORS UNDER EARTHQUAKE
    LIANG Jingxuan, HU Xiewen①②, XU Xiaojun    
    ① Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031;
    ② Engineering Laboratory Combined with National and Local of Spatial Information Technology of High Speed Railway Operation Safety, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031
    Abstract: This paper aims to study the failure characteristics of the soil slope under the earthquake. It uses particle flow code(PFC2D), simulates the failure process of the soil slopes with different inclinations and micro-parameters under a Wenchuan horizontal seismic wave. The results show that the slope angle mainly affects the failure extent. The steeper the slope is, the deeper the sliding surface is.The micro-parameters control the failure type of the slope. The slide body of the cohesive slope can move as a whole with an arc-shaped sliding surface. Yet the failure of non-cohesive slope is rheologically behaved with a polyline sliding surface whose upper part is steep and lower part is flat.
    Key words: Wenchuan earthquake    Soil slope    Particle flow code(PFC2D)    Failure mode    

    0 引言

    地震诱发边坡破坏一直是工程地质和地震领域重点关注的热点问题。我国西部多山地丘陵,因此地震地质灾害常具有大规模、群发性、危害大等特点,尤其2008年“5 ·12”汶川地震诱发了大量的崩滑地质灾害,造成了巨大的损失(黄润秋等,2008胡卸文等,2009)。野外调查发现此次地震诱发的大型高速滑坡基本均属岩质滑坡,而震区内原堆积层古滑坡体均未见发生整体下滑,这与常规认识存在很大差异。通过总结本次地震中古滑坡体的变形情况,发现古滑坡体只在局部地形坡度较陡或陡缓交界处发生变形破坏,其微地貌控制着变形破坏模式,如北川唐家山堰塞湖库区马铃岩古滑坡为一基岩切层老滑坡,纵向长650~770m,横向宽600~750m,厚41~58m,整体呈圈椅状地貌,地形总体坡度为20°,靠通口河上游侧较陡,达35°~40°。虽经历汶川8.0级地震及堰塞湖泄水,未见马铃岩古滑坡出现明显整体滑动现象,仅靠上游侧一原有次级滑坡范围扩大(图 1),且局部地形陡缓交界部位出现裂缝(图 2)。

    图 1 震后上游侧次级滑坡扩大(胡卸文等,2009) Fig. 1 Secondary landslide expanded after the earthquake

    图 2 陡缓交界处出现裂缝(胡卸文等,2009) Fig. 2 The transition part of slope gradient cracked

    此外,位于极震区的紫坪铺坝前左岸古滑坡体以及汶川县青土山古滑坡体在2008年5 ·12汶川地震中也均未发生整体下滑,只在局部发生变形。为研究此类边坡变形发生的条件,揭示其变形破坏机理,本文通过数值模拟结合室内试验的方法对不同坡度的土质边坡进行了研究,重点研究地形坡度对此类边坡的动力破坏相应。

    边坡的动力破坏具有不连续性,传统的极限平衡法及有限元法无法有效地表述边坡变形破坏的运动特点(Cundall,1971杜永彬,2008周建等,2009夏敏等,2010)。而颗粒流离散元是离散单元法的一种,它把介质认为是离散的、相互独立的粒子,可有效解决介质的非线性、大变形等问题。Cundal(1971)Cundall et al.(1979)分别提出了适用于岩体力学及土力学的离散单元法。周建等(2000a, 2000b, 2008, 2009)归纳总结了颗粒流模拟方法产生的背景,介绍了颗粒流模拟方法解题的步骤及其在岩土工程领域的应用,并分析了挡墙不同位移大小时刚性挡土主动土压力的分布。此外还运用PFC2D程序对砂性土坡和黏性土坡分别进行数值模拟,分析了细观参数对土坡破坏型式的影响。王宇等(2012)采用PFC2D对河南省白河滑坡运动全过程进行了模拟。张龙等(2012)利用PFC3D软件对重庆武隆鸡尾山滑坡进行模拟,研究滑坡体在失稳后沿着滑动面在视倾向滑动力主导下的运动过程。作为一种实用的数值模拟方法,基于牛顿第二定律的PFC程序已经应用到了岩土工程界的众多领域。

    本文采用颗粒流PFC2D程序,通过双轴压缩数值试验,确定滑带土细观参数与宏观力学性质的关系,得到给定细观力学参数试样的宏观力学反映;然后引入平行黏结模型,对4组不同颗粒组成的土质边坡进行了地震动力下的数值模拟,并结合土质边坡单向振动试验,分析此类边坡变形破坏的全过程,重点探讨地形坡度及颗粒细观参数对边坡动力响应的影响程度。

    1 颗粒流PFC2D程序简介

    颗粒流理论及其数值方法(Cundall et al., 1996)作为一种特殊的离散单元法,克服了传统连续介质力学模型的宏观连续性假设,从细观层面上对土的工程特性进行数值模拟,并通过细观参数的研究来分析宏观力学行为。在颗粒流离散单元法中,物体的宏观本构行为通过颗粒单元间简单的接触模型得以实现。

    PFC2D提供了两种黏结模型,即接触黏结模型(Contact-bond model)和平行黏结模型(Parallel-bond model)(Itasca Consulting Group, Inc.,2006)。接触黏结模型在机理上相当于接触点处的刚性环黏结,黏结只发生在接触点很小范围内,可承受法向应力及剪应力,但不能传递力矩,黏结本身不可变形,当作用力大于黏结强度时,黏结断裂(图 3)。平行黏结模型在机制上相当于接触面上的柔性胶黏结,黏结发生在接触颗粒间圆形或方形的有限范围内,黏结本身有刚度,可发生一定变形,同时可抵抗弯矩,当作用力大于黏结强度时黏结断裂(周建等,2009),适用于模拟颗粒之间存在黏聚力的土体(图 3)。本文采用可同时传递力和力矩的平行黏结模型。

    图 3 黏结模型黏结方式示意图 Fig. 3 Diagram of bonding model mode

    2 边坡数值模型及参数选取

    假定边坡材料为第四系(Q4)块碎石土夹黏土,因为本次模拟为概念模型,无具体的原型,故岩土参数根据《工程地质手册》选取,变形模量为40MPa,泊松比为0.2,密度为2100kg ·m-3,通过虚拟双轴测试(图 4),可实现颗粒流细观参数与宏观参数的匹配,具体参数(表 1)。

    图 4 双轴试验应力-应变曲线 Fig. 4 Stress-strain curve by biaxial test

    表 1 模型细观参数 Table 1 Micro-parameters of the model

    为探讨不同坡面坡度及黏聚力对边坡在地震下破坏的影响,数值模拟中设置各组边坡坡度分别为20°、30°、40°、50°,每组又分为细粒土(有黏聚力)和粗粒土(无黏聚力)两种类型,其中细粒土模型参数(表 1),粗粒土除平行黏结法向强度与切向强度为零外,其余参数与细粒土相同。模型边坡长142m,有效高度30m,采用黏性阻尼,阻尼系数为0.157,具体模型设置(图 5)。

    图 5 边坡模型及边界条件 Fig. 5 Boundary condition of the model

    采用地震部门提供的汶川地震波数据,提取一段持时40s的水平向地震波作为堆积体动力响应的输入波,水平向峰值加速度为392gal(相当于Ⅸ度地震烈度),其加速度曲线(图 6)。

    图 6 水平向地震波 Fig. 6 Horizontal seismogram of Wenchuan earthquake

    3 不同颗粒组成土质边坡地震变形破坏模式

    为便于观测边坡不同部位的位移,在边坡坡肩、坡面中部及坡脚处分别设置了监测点,同时对模型用不同颜色划分为网格状进行标记。

    边坡颗粒生成后先进行自重计算,待其自重应力平衡后再施加地震波,得到最终的破坏模型。

    图 7所示为20°边坡模型及地震破坏情况,可以看出细粒土边坡浅表层颗粒已经发生滑移,但深度不大,从坡脚至坡肩的浅层网格发生变形,坡面中部网格变形最强烈,且深度最大,达4.6m,变形后缘在坡肩附近。与细粒土边坡类似,粗粒土边坡的变形也为浅表层颗粒的滑移,但其发生滑移的范围和深度均大于细粒土边坡。

    图 7 20°边坡地震破坏情况 Fig. 7 Failure condition of the slopes with inclination of 20°under the earthquake a.边坡自重模型;b.细粒土边坡地震破坏结果;c.粗粒土边坡地震破坏结果

    从细粒土边坡的位移矢量图(图 8a)可以看出边坡的坡面浅层颗粒均发生了较大位移,最大位移值为6.649m,根据发生位移的颗粒位置可描绘出边坡的破坏面形状。此时细粒土边坡的破坏面根据形状可分为上下两段,上段为近直线型,下段为弧形,相应的边坡的变形破坏过程也可分为两个阶段。这是由于边坡坡度较缓,地震无法诱发整个坡体发生下滑,而坡脚处为一剪应力集中区,在地震作用下,坡脚剪应力显著增大并超过其抗剪强度首先形成滑移,剪应变逐渐由坡脚向上贯穿,但由于坡度较缓,坡顶的张应力集中程度较弱,剪应变无法延伸至坡顶,只能贯穿至坡面中部形成一局部弧形剪切带,之后浅表层颗粒沿此剪切带发生滑移,从而产生新的临空条件,致使滑移区上部颗粒失去支撑,在自身重力及地震力作用下上部颗粒发生拉张破坏并沿一相对平直的面发生垮塌。从边坡不同位置位移情况(图 9a)来看,坡面中部颗粒位移最大,达4.5m;坡肩及坡脚位移相对较小,约1.2~1.5m,此种位移情况表明,坡面中部作为剪切滑移的后缘发生了最大的位移。

    图 8 边坡地震位移矢量 Fig. 8 Displacement vector of the slopes under the earthquake a.细粒土边坡位移矢量图;b.粗粒土边坡位移矢量图

    图 9 20°边坡位移情况 Fig. 9 Displacement of the slopes with inclination of 20° a.细粒土边坡不同位置位移曲线;b.粗粒土边坡不同位置位移曲线

    粗粒土边坡位移矢量图(图 8b)显示颗粒的较大位移同细粒土边坡相同也出现在坡面浅层,但粗粒土边坡更深范围内的颗粒发生了较小规模的扰动,此时边坡的破坏未出现如细粒土边坡一样明显的破坏面,边坡的变形也无明显的阶段划分。在地震作用下边坡的变形始于坡顶颗粒:由于没有颗粒间的黏聚力,且坡肩处颗粒相对孤立,受周围颗粒所施加的摩擦力较小,故在地震作用下首先发生滑移并带动坡面的颗粒向下滚动。相对于细粒土边坡,粗粒土边坡的变形破坏为一整体过程,且坡肩、坡面中部及坡脚颗粒均发生了相对较大的位移(图 9b)。

    根据边坡位移矢量图描绘出细粒土边坡的破坏面,如图 10所示,细粒土边坡的破坏面为上部的直线形与下部的弧形连接而成;粗粒土边坡的破坏则无明显滑面,但更大范围内的颗粒发生了位移。

    图 10 20°细粒土边坡地震破坏滑面示意图 Fig. 10 Sliding surface of the cohesive slope with inclination of 20°

    不同于20°的细粒土边坡的破坏模式,坡面为30°的细粒土边坡的破坏为一连贯的整体过程且无明显的阶段性划分,其滑面整体呈弧形从坡顶一直贯穿至坡脚。由于此时边坡坡度变陡,外加水平地震作用力后,坡脚剪应力及坡肩张应力带范围及应力值均显著增大,并连接为一整体使整个坡面均处于应力集中区,当坡脚处颗粒首先剪坏发生滑移后,剪应变即向上贯穿至坡顶从而形成一从坡顶贯穿至坡脚的圆弧形滑带,变形过程中滑带上部颗粒由于黏聚力的存在而呈整体沿滑面向下滑动。

    坡面为30°的粗粒土边坡的坡坏模式与20°时相同,只是破坏范围及深度均有所加大。

    40°及50°的各组边坡的变形情况与30°边坡相同,各模型边坡变形及位移情况(表 2表 3)。

    表 2 边坡地震破坏情况 Table 2 Failure condition of the slopes with different inclination under the earthquake

    表 3 边坡地震位移情况 Table 3 Displacement of the slopes with different inclinations

    从30°、40°及50°边坡的地震变形情况可以看出边坡的破坏范围明显大于20°边坡,从坡脚至坡肩后缘7~13m范围内颗粒均已发生滑移变形,边坡越陡,变形越深且边界越靠后。根据3组边坡的位移云图描绘出滑面,不同于坡度20°时的细粒土边坡,此时3组细粒土边坡的滑面均呈连贯的弧形,滑面从坡顶直接贯穿至坡脚;而此3组粗粒土边坡的破坏则无明显滑面。

    可见当坡体结构、材料及坡面形态等条件相同时,边坡在地震下的破坏范围及深度主要受坡度的影响(表 4)。

    表 4 不同坡度细粒土边坡地震破坏特征 Table 4 The seismic failure characteristics of cohesive slopes with different inclinations

    细粒土在强烈地震振动作用下,颗粒间的黏结会受到影响,颗粒集合体被地震力“震松”,颗粒间的黏结首先从薄弱部位开始被破坏,即坡脚剪应力及坡顶张应力集中区。随着振动的持续,颗粒间的黏结继续被破坏,破坏范围逐渐增大,这些破坏的黏结开始连成一片,就形成坡体内部贯穿的剪切带,导致剪切带上部颗粒沿剪切带下滑。当坡角较缓时(坡角20°),边坡张力带很弱且分布范围小,颗粒间的黏结首先从坡脚剪应力集中区开始破坏,并逐渐向上贯通最终从坡面中部附近剪出形成局部滑移。而陡倾角边坡的变形则从坡脚剪应力集中区及坡肩张应力带同时发生并逐步向中部贯通,最终发生整体滑移。

    除自身结构、坡度等影响因素外,坡体材料性质也极大地影响着边坡的变形破坏形式。当颗粒黏结强度为0时,边坡相当于粗粒土边坡,此时边坡的破坏表现出明显的颗粒流动特性。首先在地震作用下坡顶的表层颗粒最先开始滚动,同时带动坡面的颗粒向下直至坡脚,将坡脚处起支撑作用的颗粒带动,从而导致坡面上的颗粒失去支撑引发更多颗粒下滑。

    由细粒土及粗粒土边坡的地震破坏结果可以看出,细粒土边坡破坏时由于黏聚力的存在,滑体内的颗粒黏结在一起呈整体沿滑面下滑,滑体内颗粒间相对变形较小;而当边坡内部颗粒间无黏结强度时,边坡的破坏表现出塑性变形或流变特性,不存在明显的破坏面。

    4 室内物理模型试验验证

    为揭示不同坡面坡度的土质边坡的振动破坏过程及机理,验证数值模拟的结果,对不同坡角的土质边坡进行了水平单向振动试验。单向振动台设备主要由激振弹簧、模型箱及液压千斤顶组成(何刘等,2014)(图 11)。模型箱大小为1.0m×0.8m×0.8m(长×宽×高),弹簧弹性系数k=10630N m-1,模型振动固有频率在2~3Hz之间,最大水平加速度0.3g,最大位移300mm。

    图 11 试验装置简图 Fig. 11 Diagram of test equipment

    由于大型振动台耗费资金大、试验周期长及操作程序复杂等因素,若反复进行多次试验,则会耗费大量人力物力,试验成本高。故本次使用的振动台只提供水平向简谐波,尽管与实际地震波输入有差异,但因其易于合成、分析简便且经济实用,对揭示以水平向为主的地震动力作用机制方面还是非常有效的。且其振动固有频率在2~3Hz之间,处于天然地震波的卓越频率范围之内。因此本次模型试验并非研究边坡在严格天然地震波作用下的动力响应,而是拟通过多次反复水平向试验,以揭示包含不同坡度边坡在动力作用下的变形破坏现象。

    试验时,由液压千斤顶对模型箱施加初始位移,通过突然撤去千斤顶瞬间释放能量,利用模型箱另一端的高强度弹簧连接带动模型箱进行往复单向振动,并可通过液压千斤顶施加初始位移的不同来控制模型箱的加速度大小。

    由于一般堆积层边坡一般均由块碎石与黏土组成,几乎不存在黏聚力为零的砂性土堆积层,故模型试验只对细粒土边坡进行试验模拟,将坡体视为均质体,试验材料选取黏土与砂按一定比例混合而成,其中粒径小于5mm的砾石含量为20%、级配良好的砂含量30%,黏土含量50%;以模型长度、密度及弹性模量为基本量,导出了各物理量之间的相似关系(表 5)。

    表 5 模型主要相似系数 Table 5 Physical and mechanical parameters of the soil

    模型长1m,宽0.8m,后缘最高0.6m,土体重度为21kN ·m-3,变形模量为0.4MPa。模型制作时首先在模型箱一侧的透明玻璃板上按设定的坡面形状描绘出边坡的剖面,并以10cm作为一层砌筑高度标准进行夯实,每层砌筑完成后使用环刀法进行密度测试,并调整其密实度直至符合标准,最后用铲子修正使其与剖面形状相吻合(图 12)。

    图 12 水平单向振动台及边坡模型示意图 Fig. 12 Shaking table of horizontal level and diagram of slope models

    实验采用30cm的初始位移进行加载,此时模型的峰值加速度相当于Ⅷ度地震烈度,不同坡面坡度边坡破坏情况如下。

    4.1 20°坡面边坡

    20°坡面边坡首先在坡脚处产生一条剪切裂缝并沿此裂缝发生小规模滑塌。随着振动的持续,滑塌范围不断向上扩大,直至坡面中部产生裂缝,随后裂缝下部土体发生局部小规模滑塌。滑塌后壁高3~5cm(图 13图 14)。其余部位未见变形破坏现象,模型整体保持稳定。

    图 13 20°坡面边坡振动变形破坏情况 Fig. 13 Failure condition of the slope with inclination of 20°

    图 14 边坡振动变形破坏最终结果 Fig. 14 Deformation and failure condition of the slope

    4.2 30°坡面边坡

    30°坡面边坡首先在与振动垂直的方向上产生一横向裂缝贯穿坡脚,随后坡脚土体沿此裂缝发生滑塌,随着振动的进行,滑塌不断向边坡上部扩展,滑塌后缘达到坡肩处,滑塌后壁高3~4cm(图 15图 16)。

    图 15 30°坡面边坡振动变形破坏情况 Fig. 15 Failure condition and acceleration of the slope with inclination of 30°

    图 16 边坡振动变形破坏最终结果 Fig. 16 Deformation and failure condition of the slope

    4.3 40°坡面边坡

    40°坡面边坡首先在坡肩附近形成横向拉裂缝,随后裂缝外侧土体发生浅层滑塌,滑塌深度约7cm(图 17图 18)。但滑塌并非紧随坡肩拉裂缝的出现而一次形成,而是通过一定的累积作用,即随着振动的往复进行,裂缝不断拉开、闭合,且逐渐加宽加深,坡体整体性及强度被破坏,直至经过数次往复振动后,裂缝外侧土体才发生滑塌。

    图 17 40°坡面边坡振动变形破坏情况 Fig. 17 Failure condition of the slope with inclination of 40°

    图 18 边坡振动变形破坏最终结果 Fig. 18 Deformation and failure condition of the slope

    4.4 50°坡面边坡

    从50°坡面边坡最终破坏情况(图 19图 20)可以看出,此时边坡整体均发生滑塌,滑塌范围大于其它各组边坡。振动开始时,横向拉裂缝并未出现于坡肩处,而是出现于坡肩后方约15cm的坡顶平台上,随后裂缝外侧土体发生滑塌并堆积于坡脚。

    图 19 50°坡面边坡振动变形破坏情况 Fig. 19 Failure condition of the slope with inclination of 50°

    图 20 边坡振动变形破坏最终结果 Fig. 20 Deformation and failure condition of the slope

    从模型试验结果可以看出,4组边坡模型试验均显示出相似的变形破坏规律,即振动开始后模型边坡均首先产生明显的横向拉裂缝,拉裂缝出现的位置随坡面坡度的增加而由坡脚上移至坡顶平台处,其中20°和30°坡面边坡首先在坡脚附近出现拉裂缝,而40°与50°坡面边坡的拉裂缝则出现在坡顶平台上。从破坏范围来看,随坡度增大滑塌范围也随之增大:20°坡面边坡只在1/2坡高附近以下发生滑塌,30°坡面边坡滑塌范围则向后扩展至坡肩处,而40°与50°坡面边坡则是坡顶平台甚至整个边坡均发生滑塌(坡面为50°时)。边坡模型破坏结果与数值模拟结果基本一致,只是模型试验中20°坡面边坡只发生了数值模拟揭示的第一阶段的破坏,即边坡只在1/2坡高附近以下的坡面浅层发生了滑塌,而上部土体未发生如数值模拟中相应的第二阶段的垮塌,这可能与两者模拟条件有一定关系。

    5 结论

    采用颗粒流程序(PFC2D)及室内物理实验模拟不同坡度的土质边坡在地震动力作用下的变形破坏过程,可得以下结论:

    (1) 当材料及坡体结构等属性一定时,边坡在地震下的变形破坏范围及深度主要受坡度的影响,边坡越陡,边坡变形破坏范围越大。

    (2) 坡面坡度为20°的细粒土边坡的破坏可分为下部土体的滑移及上部土体的垮塌两阶段,相应的破坏面形状可分为上段近直线形及下段的弧形。

    (3) 土体材料的细观参数(黏聚力和内摩擦角)影响着边坡的破坏形式,粗粒土边坡的破坏表现出塑性变形或流变特性;而细粒土边坡破坏时滑体的整体性较好,滑体颗粒间相对变形较小。

    (4) 细粒土边坡的滑面呈弧形,而粗粒土边坡的破坏则无明显滑面,但变形范围及深度均大于细粒土边坡。

    (5) 细粒土的单向振动模型试验显示地形坡度是控制边坡的滑塌的重要因素,滑塌范围随坡面坡度的增加而增大。当坡面较缓时,边坡的振动破坏始于坡脚,而对于陡倾角边坡,则首先在坡肩附近发生变形破坏,与数值模拟结果总体一致。

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