变形机制的数值模拟.docx

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变形机制的数值模拟

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：本文以雅泸高速公路K136+150～K136+300m段反倾向岩质边坡为例。采用基于离散元法原理的计算软件－UDEC，在充分研究边坡工程地质条件的基础上，模拟研究了反倾向岩质边坡在地震作用下的变形破坏机制及失稳破坏模式，进而分析了边坡的稳定性。结果表明边坡在地震作用下其变形破坏是“岩体松动→倾倒→崩塌”的过程，此过程经历的时间较短，往往是在振动持时内完成。

关键词：岩质边坡数值模拟破坏机制雅泸高速

雅泸高速公路地处我国著名的川滇南北构造体系北段和青藏川滇缅印尼歹字型构造体系中段的复合部位，区域内挤压褶皱和活动断裂众多，是我国主要的造山带和地震带之一[2]，线路多次跨越发震断裂。所研究边坡位于我国南北向地震带川滇地震区冕宁～西昌地震带石棉～冕宁段，属强震到弱震活动的过渡带。边坡的近场区主要涉及的断裂（或断层）为安宁河断裂和铁寨子断层[3]。安宁河西支断裂有现代强震活动，弱震成带分布特征；安宁河东支断裂有强震活动，弱震成带分布特征；在时间上，地震活动具有明显的韵律性，强弱变化交替进行

2边坡工程地质条件

研究区属亚热带湿润气候，受地形影响，山谷高差悬殊，气候立体变化明显，兼有高原气候特点。交通论文边坡左右两侧均为冲沟，冲沟切割深度不大，边坡从地形上看上缓下陡。边坡所在区地层主要为震旦系花岗岩，局部有辉绿岩及第四系堆积体。根据现场调查，边坡发育的结构面主要为四组构造节理，未见断层、挤压带等规模较大的结构面。在自然状态下边坡将以倾倒－拉裂－崩塌的模式变形破坏失稳。

离散元法[4]将区域离散成刚性或可变形块体单元。单元之间可以看成是角-角接触，角-边接触或边-边接触，而且随着单元的平移和转动，允许调整各个单元之间的接触关系。块体边界作为不连续界面通过线性或非线性节理本构模型规定界面上的力和位移关系，对于变形块体，块体内部差分为四面体常应变单元，作用力被集中在节点上。单元之间相互作用的力可以根据力和位移的关系求出，而个别单元的运动则完全根据该单元所受的不平衡力和不平衡力矩的大小按牛顿运动定律确定。

根据边坡的工程地质条件、地貌特征等因素，选取1－1’剖面作为模型中的计算剖面，生成的模型如图3－1所示。整个坡体高度为55m，宽度为55m；模型以高程1298为相对零点，南桠河面高程为1312m，相对高差为14m，坡顶高程为1353m，相对高差为55m。建立的模型共有90个块体84586个单元。计算采用莫尔-库仑屈服条件的弹塑性模型。

通过试验与工程地质类比，确定岩体的物理力学参数见表3－1。

表3－1节理面力学参数

结构面

切向刚度(MPa)

法向刚度(MPa)

内聚力(kPa)

内摩擦角()

抗拉强度(kPa)

内聚力(kPa)（暴雨）

内摩擦角()（暴雨）

节理

120

120

47

24

20

43

22

经过6350步迭代，天然条件下，迹线表明模型的运算收敛较快，验证了模型的正确性。

为了研究边坡在地震作用下的加速度、速度、位移响应过程，在模型中设置9个位移监测点。1～9＃监测点是用于监测坡体在X向（水平向）的响应过程，11～19＃监测点专用于监测坡体在Y向（竖直向）位移，其中1＃与11＃、2＃与12＃坐标相同，其他类推；1＃、4＃、5＃监测点高程与坡脚相同，距坡面水平距离分别为1m、13m、26m；2＃、6＃、7＃监测点距坡脚垂直距离为8m，距坡表水平距离分别为1m、13m、26m；3＃、8＃、9＃监测点距坡脚垂直距离为16m，距坡表水平距离分别为1m、13m、26m。

表3－2位移监测点坐标表

1＃

（1＃）

2＃

（12＃）

3＃

（13＃）

4＃

（14＃）

5＃

（15＃）

6＃

（16＃）

7＃

（17＃）

8＃

（18＃）

9＃

（19＃）

X

48

44

43

36

23

36

23

36

23

Y

14

22

30

14

14

22

22

30

30

4.1边坡监测点水平向位移响应

为了便于对比研究在地震作用下边坡前缘位移的响应过程，大学生将监测点按照水平面坐标相同，高程不同，分为4＃、6＃、8＃与5＃、7＃、9＃两组；按照高程相同，水平面坐标不同，分为1＃、4＃和5＃、2＃、6＃和7＃、5＃、8＃和9＃三组。

提取1＃、2＃、3＃观测点位移矢量图以及位移变化曲线图（图4－1、4－2），位移和位移矢量图表明：前缘顶部（2＃、3＃监测点）位移最大，为1.73m，且其位移曲线的斜率仍然为正，表明岩体将继续运动，即发生崩塌；底部（1＃监测点）位移较小，为46cm。

根据提取的位移曲线图可以看出，在边坡前缘未发生崩塌部位，其水平向最大变形位移在坡体顶部（6＃监测点），为61.6cm，而坡体底部（4＃监测点）其最大仅为30cm。

从三组的位移变化规律可以看出，同一高程、不同水平