王来贵，刘 学，李 磊，黄润秋

（1.辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000；

2.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059）

0 引言

一般震级等于或大于6级的地震属于强震，是一种常见的自然灾害。我国地处环太平洋地震带和欧亚地震带两大地震带之间，地震活动性非常频繁，是世界上最大的一个大陆浅源活动区，具有地震活动频度高、强度大、震源浅，分布广的特点，是一个震灾严重的国家。

2008年5月12日，中国四川汶川发生8.0级地震，地震灾害造成大量的人员伤亡和财产损失。汶川地区主要处于山区，地貌具有斜坡特征：山高、坡陡、断层节理多。汶川地震具有在山地为主的高震级、断层逆冲错动、主震持续时间长等特点，造成断层地表破裂，滑坡，液化等灾害。其中山体崩塌滑坡具有以下特点［1，2］：（1）崩塌滑坡数量多，分布密度大；（2）影响面积大，灾害损失严重；（3）地震诱发崩塌滑坡规模巨大；（4）崩塌滑坡分布受断层破裂影响明显。

在山高、坡陡、断层节理多的复杂地貌山区，强震作用下山体破坏特征是在以拉张断裂的基础上，继而发生坍塌滑动。

关于边坡非线性动力响应的计算模型，国内一些学者［3-5］进行了分析。但目前关于山体边坡地震作用下从线性阶段进入非线性并开裂破坏的工作尚未见报道。本文在此基础上从拉张破裂的角度分析了强震作用下山体崩塌破坏机制，通过开发的有限元破裂程序对含有平行弱层的简单山体斜坡进行强震作用下的拉张破裂数值模拟，并与振动平台相似材料试验的监测结果进行对比，分析其破坏过程，为后续进行复杂的山体破坏力学机制分析提供依据。

1 拉张破裂有限元程序开发

采用非线性弹性有限元方法来模拟实际上的拉裂过程和裂纹的扩展［6，7］。具体思想是：

（1）总体计算是非线性的（材料非线性、几何非线性），每步计算是线性的；

（2）在每步计算初求解在给定边界条件下的岩层中节点主应力和主应力矢量方向；

（3）根据节点主应力判断准则，确定节点处是否开裂；

（4）对于满足开裂条件的节点，沿主应力方向将节点相邻的单元劈开，进行网格裂开处理（图1）；

（5）增加新节点，增加新单元，更新节点坐标信息、单元信息、节点规格数信息和节点边值信息，形成开裂后的新网格模型；

按新网格模型分析，重复进入第2步循环。

2 岩体拉张破裂判据

岩石的抗拉强度比较低，一般为抗压强度的1/10（图2）。即：

岩石（体）拉张破裂的判据［7-12］如下：

（1）当某一节点的最大拉应力大于岩石的抗拉强度时，此节点就破裂。即：

其中，σ为节点的最大拉应力，［σ］为岩石的抗拉强度。如果在动力作用下，总应力为静力、动力作用下分别的应力值之和。

图2 岩石拉、压应力－应变曲线Fig.2 Tensile and com press stress-strain curve of rock

其中：σj、σd——分别为静力、动力作用下的应力值。

（2）当主压应力矢量方向与最大拉应力方向垂直时，岩石破裂。

（3）在众多承受拉应力的应力场中，承受最大主拉应力的点优先破裂。

（4）当岩石破裂后仍可承受压应力。

3 含弱层山体边坡强震作用下拉张破裂数值模拟

模型选取材料 1：E=1e9 Pa，μ=0.34，ρ=2700，fu=-2700，fv=0；材料 2：E=1e8 Pa，μ =0.3，ρ=2700，fu= -2700，fv=0；材 料 3：E=1e5Pa，μ=0.35，ρ=2700，fu=-2700，fv=0（图 3）。

图3 单一弱层山体斜坡强震动力模型Fig.3 Finite element model of tensile fracture

模型中动力载荷为强震加速度，施加于模型的每一个单元上。强震加速度时程曲线取自卧龙台地震台东西向监测值。（图4）。

图4 地震加速度时程曲线Fig.4 Tim e-history curve of seism ic acceleration

横向强震动力作用下，山体边坡发生拉张破裂时第一主（拉）应力演化过程如图5所示。

由图5可以得出，在横向强震加速度载荷作用下，山体模型的最大拉应力处于震源附近，但是由于夹层弱面的抗拉强度比较低，弱面先达到其抗拉强度值，开始发生拉张破裂并沿弱面撕裂，在开裂过程中应力被释放；坡面岩体受到连续系统的破坏而产生应力集中并达到其抗拉强度，继而发生拉裂，并与弱面裂缝不断发育贯通。模型进入到非连续状态，山体边坡开始发生崩塌破坏。在拉张破裂过程中，应力重新分布，形成不连续面。

图5 x向地震动力作用下第一主（拉）应力演化过程（单位：Pa）Fig.5 Evolutionary process of the first principal（tensile）stress under seismic dynamic force in x-direction（unit：Pa）

4 强震动力模拟实验监测结果对比分析

斜坡试件由水泥、沙子、石膏、水按照 7∶0.7∶0.3∶1的配比加工而成，加工完成后表面打磨平滑（图6）。

图像采集硬件系统由CCD摄像机、AVEMR TV ZOOM镜头、Matrox Meter II图像采集卡和计算机组成。软件系统为matlab开发的白光散斑图像计算程序。监测结果如图7、图8：

从实验监测结果可以看出，弱面由于抗拉强度较低，强震动力下将最先达到其抗拉强度值，则优先发生拉张破坏，形成拉张破坏非连续区域，破坏机制与数值模拟计算结果基本吻合。

图6 山体边坡相似材料试件模型Fig.6 Similar material model of mountain body

5 结论

（1）岩石的抗拉强度较低，复杂结构山体中节理、断层、层理的抗拉强度就更低。

图7 强震动力模拟实验X方向主应力白光散斑图Fig.7 Principal stress of simulation test with white-light speckle under seismic dynamic force in x-direction

图8 强震动力模拟实验X方向位移白光散斑图Fig.8 Displacement of simulation test with white-light speckle under seismic dynamic force in x-direction

（2）静力处于受压的岩体，动力惯性作用下就可能受拉，并且动力加速度幅度越大，受拉应力水平越高，范围也越大。

（3）在强震动力作用下，拉应力水平极易达到抗拉强度σT，则发生拉张破坏，进入非连续状态；剪应力水平极易达到抗剪强度σs，则发生剪切破坏。

（4）岩体（包含节理、断层、层理等）如果同时承受拉应力、剪应力，首先发生拉破坏、然后再可能发生剪破坏。

（5）在强震动力作用下，含有弱面的斜坡很容易沿弱面发生崩塌破坏。

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