文摘

地震诱发滑坡,主要是受地震影响的运动,是一个频繁的大型液压工程地质灾害。提出了一种rate-dependent strain-softened细观接触力学模型在离散单元法和实现代码,即曼宁使用PFC-FLAC耦合方案,红石岩地震滑坡分析为例。应变速率的影响、阻尼和地形效应进行了探讨。rate-dependent微机械模型结果表明,能给一个合理的seismic-induced破裂过程与现场情况,并提供一个数值技术,地震引发滑坡和岩崩风险预测分析。

1。介绍

地震导致的岩石滑坡是一种常见的地质灾害对人类生命和财产造成巨大的损失。具有重要意义的防灾减灾斜率分析地震诱发滑坡的过程,以揭示崩落的岩石的形成机制,因此边坡稳定措施的实施提供依据。

当前研究滑坡的目的是定义的困难程度预测滑坡边坡稳定的宏观因素的基础上,以及地震和降雨强度,以便获得先进的警告。然而,这种方法只是一个近似和为特定的斜坡上往往是不准确的1,2]。动态响应和地震作用下裂隙岩体的变形破坏主要是由结构控制飞机,及其稳定性分析不准确是由于难以确定机械参数和结构的大量的飞机。大多数现有的研究方法是地质分析辅以工程经验(3,4]。

近年来,数值模拟使用块离散元素,颗粒离散单元,非连续变形分析(DDA)和其他地震滑坡过程的不连续的反馈分析方法和机制吸引了广泛的关注5- - - - - -7]。离散单元法(DEM),充分考虑岩石的不连续和非线性动力学特性,被广泛用于解决岩石工程问题,如块崩落爆破,并模拟地震波下边坡的动力响应;然而,很难确定其参数和不适合确定岩体的临界滑动面(8,9]。因此,结合有限离散单元法(FDEM)是经常使用在实际模拟中,可以模拟材料的渐进破坏过程连续不连续状态(10- - - - - -13]。

一旦开始地震诱发滑坡,滑坡体的运动行为等因素密切相关的材料非均质性、裂缝延伸,应变率,和地形坡度,除了地震力和重力(14- - - - - -16]。有巨大的碰撞和摩擦运动和积累过程中岩体的应变软化特征的(17,18]。在大规模山体滑坡、运动参数是由地形因素的强烈影响,凹地区有潜在滑坡灾害,轻轻起伏的地区同样可能产生大量和频繁的山体滑坡被强烈地震时(19,20.]。

在地震运动和积累,岩石的应变率与运动速度急剧变化,进而导致不同的能量耗散和裂纹扩展模式,最终,postearthquake滑坡和积累模式(21,22]。在地震滑坡分析,重要的是要考虑动态应变速率的影响岩体的片段特征变化。

在这项研究中,动态soft-bond模型考虑应变率效应模拟岩体开发基于红石岩云南省地震引发山体滑坡,中国。根据continuous-discontinuous实地调查数据,建立数值模型,通过合理的组合为红石岩滑坡讨论了阻尼值,和启动时间,破坏形式,运动,和积累过程中地震波的作用下滑坡模拟和分析。

2。动态Soft-Bond模型考虑应变率效应

颗粒流代码(PFC)、离散单元方法之一,被广泛用于分析大变形和失败的岩石和土壤质量近年来。PFC允许离散粒子的位移和旋转和并不局限的变形。这可能是非常有用的在处理不连续力学问题和模拟开裂,分离,和运动等介质边坡岩体(23,24]。考虑到计算效率的限制,continuous-discontinuous耦合数值模拟方法通常用于大型岩土工程的计算与分析。潜在的失败区域由PFC模型,模拟和地区没有大的变形和破坏,如基岩,由有限差分模拟模型,连续的快速拉格朗日分析(FLAC)。耦合PFC和FLAC模型可以同时满足变形的要求和计算效率25]。

2.1。Soft-Bond本构模型

线性平行债券模型是最常见的接触模型模拟岩石边坡的破坏过程采用颗粒流方法(26]。这个模型可以在粒子之间传播力和时刻,和更好地反映在岩石矿物胶结的机械反应。然而,由于计算规模的限制,粒子的大小用来模拟斜坡的失败可达几米到几十米。在这个尺寸范围内,有大量的内部裂隙的岩体软化过程中失败,不能反映在线性并行债券模型。马提出的保税soft-bond模型的行为和黄27)是类似于线性平行键模式。然而,与线性平行键模型相反,债券是不删除失败。相反,它可以软化政权,直到粘结应力达到一个阈值的债券被移除。斜率和拉伸断裂强度软化是由软化因素决定的 和软化抗拉强度的因素 ,分别。因此,soft-bond模型可以用来模拟岩体的失败行为大型颗粒等大规模的滑坡。

力-位移法soft-bond模型更新接触力和力矩: 在哪里 是一个线性力, 是一个阻尼器力, 是一个线性的时刻。

如图1,线性力是解决正常和剪切力,和线性是解决扭曲和弯矩: 在哪里 是紧张。更新模式考虑应变率效应如下: 在哪里 和 分别是相对正常位移和剪切位移增量; 和 分别是相对bend-rotation twist-rotation增量; 和 分别是正常和剪切刚度; , 和 分别是,转动惯量,截面的极惯性矩。的横截面属性soft-bond联系更新如下: 在哪里 横截面的半径, 是半径乘法器。

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图1
soft-bond模型的微观结构。(一)力的分解和时刻。(b)颗粒之间的接触平面。(c)行为和流变soft-bond模型的组件。

有一个高杨氏模量之间的相关性( ),泊松比( ),有效模量( ),和normal-to-shear刚度比( )soft-bond模型。 增加而增加的 ,和 增加达到极限的提高 。与正常的刚度之间的关系 ,剪切刚度 ,和 , 给出如下: 在哪里 和 分别是两个粒子的半径在接触。的更新模式最大正应力 和剪切应力 考虑外围国家债券的应变率如下: 在哪里 是moment-contribution因子( )。

默认情况下,保税soft-bond模型的行为本质上是线性的平行键。当 和 ,紧张可能发生软化行为。如图2,如果在外围国家债券的最大正应力超过债券抗拉强度( ),然后在软化债券进入政权,最大的压力是由 在哪里 是软化因素, 和 分别是关键和当前债券伸长,设置如下: 在哪里 和 分别是,债券的测量伸长和软化开始以来积累的弯曲。

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图2
力-位移法soft-bond模型。(一)拉伸断裂模式。(b)剪切破坏模式。

如果当前的拉应力大于最大应力( ),然后它预计回到软化信封:

平行债券不同于线性模型,继续卸载以前的拉应力降低抗拉强度、峰值和软化卸货期间持续进行直到拉伸应力小于软化的产品抗拉强度因子和抗拉强度(峰值 ),之后债券是紧张和破碎 和 重置为0(图2(一个))。

如果紧张的债券并没有失败,那么剪切破坏进行了评估。如果超过抗剪强度极限( ,在哪里 ),然后在剪切键坏了,摩擦强度属性设置如下: 在关键的弯曲和扭转力矩如下: 在哪里 和 分别是弯曲和扭转摩擦乘数(图2 (b))。

2.2。应变率效应

岩石的动态特性直接相关的应变率,这可以极大地影响最终的强度,断裂模式,分散程度,和岩石本构模型16,28]。相关研究表明,有一个对数岩石能量和应变率之间的关系。随着应变率的增加,岩石的强度和能量吸收/岩石体积增加,其差异导致介观裂纹扩展模式的差异,并导致断裂表面的粗糙度的差异,最后失败的不同模式(29日,30.]。

当岩石边坡的破坏过程由PFC模型,模拟应变率效应的影响岩体的力学参数也应考虑。的微观参数离散单元模型是密切相关的宏观力学特性,以及它们之间有一个定量的相关性(31日]。有必要分析正常刚度之间的关系( ),剪切刚度( ),抗拉强度( ),凝聚力( ),和应变率( )在模拟。应变率在PFC之间的比率被定义为两个接触粒子和质心的相对速度两个粒子之间的距离: 在哪里 是应变率, 和 是两个粒子的速度相互接触, 是两种接触粒子质心之间的距离。

图3(一个)显示了PFC3D数值模型,示例是一个圆柱的半径50米和280米的高度,和周围的墙壁被应用来修复它。有18773个粒子的半径1.5 - -3.0 m和孔隙度为0.35,其微观参数设置根据边坡的模型(表1)。首先,宏观参数与应变率之间的关系是通过单轴和三轴压缩试验获得的。然后,微观和宏观参数之间的关系是通过相关研究。最后,微观参数的公式与应变率变化是通过结合两个32]: 在哪里 有效模量(GPa); 和 分别是抗拉强度(MPa)和凝聚力(MPa); 和 分别是,动态和静态应变率( 当 ; )。数据3 (b)和3 (c)显示不同应变率下的应力-应变曲线和围岩压力。失败后的标本展示足够的延性,在良好的协议与实验测试结果。

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图3
压缩测试。(一)数学模型。(b)轴向应力-应变曲线在不同的应变率(单轴压缩)。(c)轴向应力-应变曲线在不同围压下( )。
表1
模型力学参数。

3所示。红石岩地震滑坡的分析

3.1。工程地质背景和数值模型
3.1.1。地质条件

在地震之前,原始地形的斜率Niulan河的右岸是50°-60°和河床附近的边坡高度约400米;斜率左岸是35°-40°和边坡高度是200 - 220。岩层一般倾斜向下游右岸,20°倾角-25°。2014年8月3日,一个6.5兆瓦地震距洛阳县,云南省,中国(27°6 N, 103° E), 12公里的深度,造成山体滑坡两岸的山红石岩村附近,距离震中大约15公里,最终形成了堰塞湖。如图4(一),左岸的表层变得松散,滑到河床,而右岸岩体的推翻和倒塌在高速地震波的作用下,导致大规模的滑坡,迅速积累对河床并封锁了河。

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图4
红石岩滑坡地图。(一)滑坡的位置。(b)分布不同的跳动的地区。(c)滑坡的地形。

距洛阳地震引发的山体滑坡后,右岸的地形有了明显的改变。数据4 (b)和4 (c)显示了postearthquake地形和三个主要滑坡跳动的正确的银行领域。斜坡的上部是一个巨大的残骸崖的高度350米,宽约800米。下部是一个原始的悬崖的高度120米,和两个部分由一个倾斜平台倾斜向河。由于地形的影响,滑坡分为三个跳动的地区。筑坝的身体地区,有大量的巨大岩石,颗粒大小的5 - 10米。

考虑到只有脚趾在左岸边坡的一部分,与古滑坡存款、倒塌和滑地震波的作用下(33),河也没有影响滑坡过程除了最后的聚集区,本文只选择在Niulan河的右岸岩体,分析地震导致的落石和崩落的岩石。

3.1.2。模型构建和边界条件

如图5(b),红石岩边坡的三维模型建立了FLAC3D软件和PFC3D continuous-discontinuous耦合方法。源面积由96970离散元素粒子,半径为1.5 -3.0根据实际情况。节中描述2。1,soft-bond模型考虑应变率效应用于粒子之间的联系。图5(一个)显示的布局监测粒子1号,2号,3号,每个粒子平均由7为了消除应变结果的影响。以来几乎没有崩溃等大型变形滑坡过程中,滑动床使用有限差分模型构建共有134482辆。FLAC的力学性能模型的长度2061米,宽1139米,最大高度980由莫尔-库仑本构模型模拟。PFC的微观参数模型根据工程报告中的参数校准。表1显示了PFC粒子的参数和FLAC单位。


图5
数值模拟的地震滑坡。(一)监测粒子的布局。(b)耦合数值模型。(c)地震波速度。

图5(c)显示了红石岩地震波的速度曲线在电子战的三个方向,NS,和UD由中国地震局提供。红石岩岩石边坡的动力响应进行了分析应用 , ,和 three-different-direction地震动态加载和粘性边界。

3.2。演化过程的微观接触岩体的参数

地震加载过程中,岩石的变形和强度联系的微观参数更新根据方程(13),动态变化的应变率每个联系人遍历每个时间步。插图,接触 ,随机选择50000年和200000年,与应变率和抗拉强度曲线如图6。图6表明,应变率的三个联系人之间的不同主要是105和102,都有不同的模式,表明该方法可以实现不同时间和空间岩体地震作用下的变化,可以反映岩体的动态属性。

(一)
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图6
抗拉强度与应变率的动态变化。(一) 。(b) 。(c) 。
3.3。地震引发滑坡过程

如图7(一),红石岩岩石边坡的特征是反倾斜分层结构(34]。岩体在地震的作用下,首先提出了一个明显的进步和连续故障现象,其次是身体崩溃的主要结构面。岩石滑坡发生过程的关键块未能全面失败。块在陡峭的岩石有不同的活动条件和松紧度,这是不可避免的,一些街区,受到重力、地震力、摩擦,向外和其他因素,首先被取代,成为关键块的块变形和破坏(35),如图7 (b)。

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图7
落石和崩落的岩石的过程。(一)落石的进步和持续的失败。(b)块的连续失败。
3.3.1。在不同的地区滑坡分析

如图4 (b),滑坡主要是分为三个输出地区,区域I, II, III领域。监测粒子1号是我选择区域,2区2号和3号区第三滑体的速度记录。为了记录压力变化在滑坡在固定位置,测量分,B和C是安排在滑床位置监测粒子对应1号,2号,3号,如图8(一个)。

(一)
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图8
压力监测在滑床上。(一)测点分布(a, B, C)。(B)垂直测点应力曲线。

图8 (b)显示测量的垂直应力曲线点,B和c的垂直应力测点有几个峰值,主要是10.5 MPa在5.7和9.2 MPa在8.9年代,达到初始应力的两倍多,这足以导致区域滑坡;垂直应力测点B之间有一个巨大的峰值5.4和9.0年代,在这区域二世吸收大量的地震波能量和岩石坍塌;垂直应力曲线在C测点相对温和,且没有明显的峰值,这表明,滑坡区第三主要源于我和地区的失败二世时的压力变化和稳定状态被打破了。

图9显示垂直速度-时间曲线的测量分不同区域在40年代的地震开始的。由于高斜率,滑坡有大量初始势能。地震作用下,区域监测粒子1号所在我是第一个被摧毁和幻灯片。势能转化为动能通过滑动、滚动,或自由下落,所以岩体具有很高的速度在运动。我达到一个峰值区域的垂直速度28.4 m / s, 14.1年代,紧随其后的是一个与斜率和耗散碰撞动能,然后进入一个低速运动,在整个滑坡(图四大碰撞9(一个))。区域二世,监测粒子2号所在,幻灯片区后我的幻灯片2 s。经过短暂阶段的滑动沿着倾斜平台悬崖的边缘,它进入下降阶段,颗粒受重力和阻尼力,速度急剧上升,达到垂直速度峰值为62.6 m / s时落在斜坡的底部在19.9 s。与底部,碰撞后动能几乎完全失去了和块迅速稳定(图9 (b))。三世,监测粒子3号所在,幻灯片幻灯片后我和地区。在其运动,斜率,有巨大的碰撞和摩擦,速度波动没有任何明显的峰值,最大的只有15.0 m / s,它不跌至底部,直到91年代(图9 (c))。

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图9
垂直速度-时间曲线监测粒子:(一)1号;(b) 2号;(c) 3。

几种典型滑坡时刻如图10。图10 ()此刻,我开始下滑,图吗10 (b)当我第一次碰撞区域的斜率,图吗10 (c)此刻,区域二世碰撞与底部,和图吗10 (d)此刻,沿着山坡地区三世幻灯片在一定距离。从数据10 ()- - - - - -10 (c)岩体(红色虚线图10 (b))监测粒子第一所在第一个幻灯片由于地震力和重力,后跟一个打破整体边坡的稳定性,从而导致整个松散的块状结构的崩溃和最终的大规模的滑坡。区域的粒子速度我达到高峰,然后碰撞与斜率上升,之后就进入连续碰撞减速阶段。从数据10 (c)- - - - - -10 (d)粒子区二世已经达到斜坡的底部时速度达到高峰,之后他们相撞,失去所有的能量,与小位移。当我和地区二世在很大程度上稳定,粒子在区域三世刚刚下跌约100 m以下的一个位置来源地区。

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图10
崩落的岩石的运动和积累过程:(一)6 s;14岁(b);(c) 20年代;(d) 39年代。
3.3.2。地形放大效应

在滑坡灾害,高度敏感的斜坡代表了高潜力的地区由地震引发的失败。发现地形不规则可以极大地影响地面运动的振幅和频率,系统地放大在凸地形(如山丘和山脊)和减凹地形(如峡谷和山麓),用山坡上复杂的放大和衰减模式导致重要的微分运动(36,37]。红石岩滑坡是一个super-large-scale滑坡,滑坡地形变化显著,因此地形效应需要分析与实际滑坡过程。图11显示的位移变化滑动床在不同阶段。在地震波传播阶段,一个重要的地震放大效应发生在悬崖。滑坡收益,悬崖质量变得更加突出,其曲率增加,随后进一步增强地震放大效应和快速增长的位移。当大多数滑动的身体落在了斜坡的底部,悬崖曲率质量下降相反,而地震放大效应在斜率逐渐增加,导致明显的位移。图12(一个)给出了位移云地图 - - - - - -方向2分钟后开始地震(坐标定位图所示4 (b))。可以看出,地震波的作用下,岩体在左边的悬崖(黄色虚线)隆起超过2米,和有效的自由面临缩小成勺子的形状,哪块区域的运动我的幻灯片,使它的速度从峰值下降(38];悬崖上边缘隆起(蓝色虚线)约2 - 4米,阻塞区域三世的运动。红石岩坡上的隆起postearthquake由于地形放大效应有锁定效应的整体滑坡。滑坡后,滑块石头组成的身体积累在坡面和山谷,部分阻挡在源区域,证明的postearthquake现场调查(图照片12 (b))。

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图11
位移云斜坡体在不同时期的地图:(一)5 s;(b) 20年代;(c) 40年代;60年代(d);80年代(e);100年代(f)。
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图12
地震后边坡变形。(一)位移云坡体的地图 方向( )。(b) Postearthquake地形斜率的身体。

4所示。讨论

4.1。阻尼的影响

地震的原因是红石岩压倒性的胜利。一旦滑坡开始,这个过程主要是受到当地阻尼和粘性阻尼的影响,目前只可以选择经验近似不确定性方法(12,39]。刘等人进行了灵敏度分析的Laoyingyan崩落的岩石在四种不同条件下的阻尼比( ,0.03、0.02和0.01),发现沉积厚度和岩滑边界时最接近现实 。考虑在滑坡块交互的复杂机制,当地的阻尼和粘性阻尼的选择需要结合具体的例子。

机械能是分为两类,即身体能量和联系,在每个周期球和能量积累,团,墙壁,和接触。机械身体能量是由于体力和能量耗散由当地阻尼和动能在滑坡;机械接触接触模型和定义的能量通过摩擦滑动和粘性阻尼。

以下4.4.1。当地的阻尼

当地的阻尼作用于每个球或丛,应用与阻尼力不平衡力的大小成正比,和阻尼运动方程是40)如下: 在哪里 , , ,和 分别是,平均加速度,旋转加速度,不平衡力、阻尼力的粒子; 和 分别是,粒子的质量和转动惯量; 粒子的自由度, 代表翻译和 代表旋转。 是由 在哪里 是当地的阻尼常数, 是符号函数, 是广义速度如下:

三个不同的本地阻尼常数( ,0.3和0.5)应用于斜坡模型在地震条件下,和执行continuous-discontinuous耦合数值分析。所有粒子的平均速度-时间和平均位移时间曲线如图所示13。考虑到地震后的100年代开始,粒子的速度趋于0和位移输入一个温和的阶段,100年代滑坡的位移云图在不同地方阻尼常数选择(图进行比较分析14)。结合数据13和14可以看出,随着当地阻尼的增加,粒子的速度和位移显示下降趋势和颗粒阻挡在源面积逐渐增加。相比之下,当局部阻尼常数 ,模型的位置和规模阻挡区域(图15 (b))与实际比较吻合阻挡区域(图(15日))。

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图13
曲线在不同地方阻尼常数。(一)平均速度-时间。(b)平均位移时间。
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图14
模型在不同地方阻尼常数( ):(一) ;(b) ;(c) 。
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图15
比较实际的模型和滞留区( ):(一)现场照片;(b)边坡模型。
4.1.2。粘滞阻尼

正常和剪切阻尼器应用于每个联系人的离散单元模型来模拟正常和剪切阻尼力在联系。粘性阻尼力给出如下: 在哪里 粘性阻尼常数和吗 是相对正常(剪切)速度联系; 是正常的, 代表剪切。阻尼常数和临界阻尼常数之间的关系如下: 在哪里 在接触粒子的平均质量, 和 分别是正常的(剪切)在接触刚度和临界粘滞阻尼比。

非零当地阻尼可用于准静态变形模拟。然而,在地震滑坡,应变率高,有大量的粒子之间的碰撞;只考虑局部阻尼是不合适的,并进一步比较分析应与不同的正常(剪切)临界粘滞阻尼比率基于soft-bond接触模型。

三个不同的临界粘滞阻尼率( ,0.5和0.7)应用于斜坡模型在地震条件下,和执行continuous-discontinuous耦合数值分析。所有粒子的平均速度-时间和平均位移时间曲线如图所示16,100年代滑坡的位移云图在不同粘滞阻尼率如图至关重要17。从图16,粒子的速度和位移的差异在不同的临界粘滞阻尼比率并不重要,和峰值速度与临界粘滞阻尼比的增加略有增加。考虑滑坡的巨大的动能,使滑体最终积累形成筑坝的身体,临界粘滞阻尼比 是更合适的。

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图16
曲线在不同临界粘滞阻尼比率。(一)平均速度-时间。(b)平均位移时间。
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图17
模型在不同临界粘滞阻尼率( ):(一) ;(b) ;(c) 。
4.2。应变率效应的影响

许多研究表明,地震循环荷载通常诱发岩体先前存在的骨折的扩张,紧随其后的是孤立块的形成,最后重力作用下滑坡。一旦开始滑坡,滑体的运动主要是受多种因素影响,如阻尼,块度,岩石破碎,地形坡度(41,42]。如果使用常数材料强度参数和应变率效应并不考虑,计算结果的瓦解和分裂的压倒性的身体,最终偏转距离,和沉积地形非常不一致与野外观测(18]。

图18给出了垂直速度-时间和断裂记录时间曲线的滑坡和不考虑应变率效应,这表明,当考虑应变率效应,粒子的速度峰值略有下降,骨折的数量相比减少5.5%,而不考虑应变率效应。应变率效应有一定影响传播模式的岩石裂缝,导致不同程度的岩石碎片和积累模式。仿真结果与实地调查相一致,表明使用动态soft-bond模型的仿真结果可以反映出红石岩滑坡的运动和摆动行为。最终的模式的滑坡图所示19。

(一)
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图18
比较失败的特点考虑和不考虑应变率的影响。(一)不同监测粒子的速度-时间曲线。(b)断裂滑动体的记录时间曲线。
(一)
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图19
模型在不同条件下( )。(一)考虑应变率效应。(b)不考虑应变率的影响。

Zhang et al。43)用于sphere-simplified模型和三维重建模型,分析基岩块影响的影响,结果表明,三维重建模型是有益的在考虑组合效应的落石速度和旋转在碰撞过程中。摘要球面模型用于简化的滑坡的身体,和微观形态的影响在落石的运动状态的影响需要进一步的研究。

5。结论

地震滑坡是一个动态的、渐进累积失败过程中,岩体的变形和强度的演变与应变率。动态soft-bond接触模型可反映出应变软化和应变率强化效应是由使用continuous-discontinuous耦合方法,建立和数值模拟来分析红石岩地震引发山体滑坡。主要结论概括如下:(1)一个动态soft-bond接触模型考虑应变率的影响是基于soft-bond模型开发的,它可以满足应变率效应和应变软化引起的裂缝网络。分裂、速度和滑坡体偏转的距离减少了不到10%当应变率效应被认为是比较时不考虑。(2)在地震滑坡,阻尼参数有显著影响滑坡的运动和积累的过程。计算结果表明,滑坡跳动区域局部阻尼较低(0.3)和高粘性阻尼比(0.7)是一致的与现场调查(3)红石岩滑坡从骨折的发生和发展开始在地震作用下,然后形成的岩体结构面分离,和结束落石和崩落的岩石在地震力和重力。压倒性的身体上升岩体经历连续碰撞,在此期间不断损失能量,它终于积累一定范围的山谷,阻挡来源地区

数据可用性

数据请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

工作提出了财务支持中国国家重点研发项目(2018 yfc1508501),中国国家自然科学基金(授予号。41831278和41831278)。