含软弱岩层反倾岩质边坡地震动力响应与破坏模式

含软弱岩层反倾岩质边坡地震动力响应与破坏模式

曹鹏

天津市地质工程勘测设计院有限公司   天津    300191

摘要：错综复杂的地形地质条件、巨大的风化差异和频发的地震动导致高位危岩落石、崩塌和滑坡灾害频发，严重威胁铁路建设和行车安全。顺层岩质边坡是西南山区分布最为广泛的边坡类型之一，在风化作用下，岩质边坡内部存在大量的非连续结构面，包括层面、节理及软弱夹层等，导致边坡的动力响应与破坏模式也更为复杂。

关键词：软弱岩层；反倾岩质边坡；动力响应；破坏模式；

引言

随着露天矿开采深度的增加，边坡稳定性对保障矿山安全生产具有重要的意义。露天矿山在开采过程中经常受到爆破振动的侵扰，爆破振动严重影响了露天矿山边坡的稳定性。因此，研究爆破作用下岩质边坡响应特征对于保障露天矿山边坡稳定以及确保矿山安全生产具有一定的理论与现实意义。迄今为止，我国国内许多专家学者对爆破振动作用下边坡的稳定性以及边坡响应特征做了大量研究。

1反倾岩质边坡稳定性研究

水电站、铁路和矿山等工业领域因地质问题引起的灾害也频繁发生,这引起了人们的关注,但也增加了对这些灾害原因的分析,主要是由于反向岩斜坡的倒塌,但反向岩斜坡倒塌的原因需要认真研究,这不仅关系到施工过程中的施工技术,而且还关系到反向岩斜的形成机理。坡度的稳定性对项目的稳定性至关重要。目前,研究斜坡稳定性的方法大概有两种:定性分析法和定量分析法,但随着我国大型工程项目的质量稳定性,该领域的研究人员对斜坡稳定性的研究方法进行了改进,如建立岩土力学模型来研究斜坡破坏的力学机理。通过研究岩石斜坡退化的力学机理,可以了解岩石斜坡的受力情况,然后采取适当的方法来平衡其受力情况,尽量保持岩石斜坡的稳定性,定性分析主要是围绕工程地质勘探,特别是围绕影响岩石斜坡稳定性和变形破坏力学机理的因素,分析形成变形的原因,以说明斜坡的稳定状态和防岩斜坡今后可能的发展趋势,因此这种方法的优点是综合考虑影响防岩斜坡稳定性的因素,使工程施工在施工过程中要考虑多个方面,防止斜坡倒塌的预防措施,目前,在反斜坡稳定性分析的过程中,我国研究人员采用的方法还没有完全达到定量分析或定性分析方法的水平,而在定性分析的过程中,所采用的物理模型分析方法是较早和相对直观的斜坡稳定性分析方法的发展。通过研究反斜坡退化的力学机理,提出了防止斜坡破坏、加强斜坡防治和巩固的有效方法。

2水平加载下边坡动力响应规律

在水平加载下，模型边坡水平加速度响应表现出非线性的高程放大效应，在本节中我们主要讨论水平向的PGA放大系数，PGA放大系数均指水平方向的加速度放大系数.试验发现，含软弱岩层的边坡加速度响应高程放大效应明显受频率的影响，以0.15g正弦波水平加载为例，当加载波形频率为5Hz和10Hz时，接近坡体自振频率8Hz，坡体动力响应和加速度高程放大效应明显，此时以软弱岩层位置为分界线，软弱岩层下部稳定岩体部位PGA放大系数较小，在软弱岩层与下部岩体交界的坡面位置PGA放大系数小于1，软弱岩层位置以上，包含有横纵结构面的硬岩岩体PGA放大系数沿高程明显增大，放大效应明显；当加载波形频率增大为15Hz和20Hz时，边坡动力响应减弱，高程放大效应以软弱岩层位置为分界，下部稳定岩体受加载边界的影响，坡体后方PGA放大系数相对较大，且向坡面位置逐渐减小，软弱岩层上部硬岩，出现PGA放大系数小于1的加速度抑制部位，且随着高程增加，这种抑制作用逐渐减弱，在坡顶PGA放大系数大于1，出现加速度放大效应；当加载波形频率增大为25Hz和30Hz时，PGA放大系数分布与15Hz和20Hz一致，但在软弱岩层上部的加速度抑制部位上移，且抑制效应明显减小.由此可知，随着水平波的加载，软弱岩层对5~10Hz的横波放大效应明显，对15~20Hz的横波则明显吸收，对25~30Hz的横波也有吸收，但没有15~20Hz频段内吸收明显.整体来看，坡体的PGA放大系数随频率增大，表现为先减小后增大的趋势，在15~20Hz，PGA放大系数最小。

3边界条件及阻尼设置

在静力计算时，坡顶和坡面为自由边界，模型的左右两侧和底面约束法向位移。在地震动力计算时，边界条件的设置对计算结果有很大影响。为防止输入地震波的反射和失真，将模型的左右两侧变为自由场边界，高度与模型两侧垂直高度相同；在模型底部设置黏滞边界。由于模型底部为黏滞边界，故地震波无法以加速度时程方式直接施加，需要将加速度时程积分成速度时程。

4FFT频谱

为分析边坡模型在不同地震波下的频率响应差异规律，对强风化岩体区域（M4、M6、M8）和弱风化岩体区域（M1、M2、M3）的加速度时程曲线做快速傅里叶变换。不同类型和震级的地震波对边坡模型的傅里叶谱的分布规律有所影响。具体分析：在弱风化岩体区域，随着地震波幅值增加，输入不同类型地震波时，模型的主频f1、f2变化不大，f3变化较为显著，表明弱风化区域M1和M2位置处的整体性较好，而M3处高程更大，在地震动作用下更易发生损伤，从而影响地震波的传递；与EL波相比，输入Kobe波时模型响应的FFT幅值更大。与弱风化岩体区域相比，强风化岩体区域FFT幅值整体偏小，这是因为随着地震波逐渐向上传递，至强风化岩体区域时，由于大量结构面的存在，导致地震波能量耗散增加，进而导致FFT幅值降低。对比M3和M4位置处的FFT幅值谱可知，地震波在经过强弱风化交界位置的结构面时会消耗部分能量，导致其FFT幅值降低，且该局部效应的影响大于高程效应。

5反倾岩质边坡破坏分析过程中新方法的提出

岩石斜坡的破坏是山区建筑中常见的地质问题,斜坡的破坏严重威胁着水电站大坝的安全和铁路、水路、矿山的安全。现在,国内外许多研究人员已经加大了对反转岩斜坡破坏的研究力度,也研究了一些新的研究方法,如采用数值模拟法,对矿区反转岩斜坡破坏过程进行分析,以及研究人员用极限平衡法建立了反转岩斜坡破坏力的计算方法。希望通过分析岩石防倒塌斜坡的局势约束原因,通过物理方法来提高斜坡的稳定性,这些新方法不断得到实施,以便能够更好地分析防倒塌斜坡的主要破坏因素,通过破坏因素的分析,找到更有效的预防方法,提高我国重大工程的质量安全,同时也保障山区居民的生命安全。

结束语

地震波类型和震级影响FFT频谱分布规律，总体上FFT幅值随着高程的增加呈先增大再减小，再增加的规律；强风化岩体区域的FFT幅值整体偏小；地震波在通过强弱风化交界位置的结构面时，会导致局部FFT幅值降低。含软弱岩层反倾岩质边坡地震动力破坏过程划分为6个阶段：坡体内部轻微损伤-软岩挤出、软硬岩交界上方硬岩拉裂-硬岩裂纹向上延展软弱岩层滑动挤出-层面和纵向节理贯通形成滑面-边坡破坏。软弱岩层的挤出导致上部岩体岩结构面开裂，上部岩体的破裂下沉又加剧了软弱岩层的挤出，是该类边坡的主动破坏模式。因此，对该类边坡需注意对软弱岩层进行防护处理，减小边坡的动力破坏发生。

参考文献

［1］张士磊．预裂爆破作用下节理岩质边坡损伤区测试研究［J］．爆破，2020，37（3）：74－77．

［2］周后友，池恩安，欧阳天云，等．爆破荷载作用下露天边坡稳定性分析［J］．爆破，2021，38（2）：80－87．

［3］邢恩达，曹丽，卢斌强．露天矿高边坡爆破振动监测与衰减规律分析［J］．科技通报，2021，37（9）：90－93．

[4]秦胜伍,曹荣国,李广杰,等.基于FAHP的功效系数法的岩质边坡稳定性分级[J].灾害学,2016,31(4):27-32.

[5]刘诚,刘文连,彭普,许汉华.基于拟动力下限法的地震作用下岩质边坡稳定性分析[J].水电能源科学,2022,40(4):129-132+103.