文摘

马家沟滑坡,主要在三峡水库地区古滑坡,位于中国西南部的高地震区域。2013年巴东地震造成了明显的滑坡变形监测的滑动式测斜仪。一个强大的地震可能引起古滑坡的复活。因此,有必要研究马家沟滑坡的地震动力响应。为此,非连续变形分析(DDA),通过引入人工关节和改善粘性边界,在这项研究中应用。巴东地震引起的位移监测时间点计算与现场数据相比,验证数值方法和模型。进一步,一个强大的地震峰值加速度的1 g是假定作用于滑坡,滑坡的启动和演化过程模拟,和滑坡的运动特性进行了讨论。滑坡的动态故障和地震波的局部放大可以体现,表明改进的谈判提供了一个可选择的方法分析裂隙岩石的地震动力响应。

1。介绍

地震主要发生在板块交界处,地形相当变量和大量的山坡上分布广泛。此外,地震可能会触发滑动斜坡上的失败,导致严重威胁人类生活和自然环境。在过去的几十年里,发生了许多这样的灾难(1- - - - - -6]。例如,1999集集地震( )诱导9272山体滑坡,造成2400人死亡,8000多人受伤。60104多20000人的生命被山体滑坡2008汶川大地震( )。最近,2013年庐山四川地震( )3883年滑坡引起的,造成196人死亡,11500人受伤。因此,减灾和预防,这对研究边坡的动力响应是至关重要的,评价其稳定性或postfailure影响地震的作用下。

在岩土工程领域,数值模拟是一种强大的工具为研究岩体的力学行为。涉及的方法大致可以分为两类:连续和不连续方法方法。这些连续的方法通常是受到小变形假设,很难处理大量岩体的不连续性。相反,不连续方法能够建模包含不连续岩体的大变形行为。其中,光滑粒子流体动力学(SPH),离散单元法(DEM),和非连续变形分析(DDA)被广泛用于模拟地震引发山体滑坡。的跳动分析流式的质量,SPH模拟适用(戴et al。7毛],et al。8张,et al。9]),而对于滑坡控制关节,民主党或DDA方法是适用的。唐et al。10陆,et al。11),Zhang et al。12),和罗等。13)应用DEM模拟地震滑坡的运动行为和分析滑坡形成机理和影响区域。周et al。14)采用FDM-DEM-coupled方法研究东河口汶川地震引发的山体滑坡的动态过程。民主党是部队的方法,和展览两个局限性:人工阻尼和很小的时间步,但基于能源为基础的方法可以克服这些限制。Hatzor et al。15)首先验证的能力DDA模拟地震块状岩石的动态行为,并预测裂隙岩石边坡的破坏模式。此后,吴et al。16,17)提出了一种新颖的算法地震输入为DDA模拟和应用地震模型集集地震引起的山体滑坡的运动行为。Zhang et al。18,19)、歌曲等。20.彭,et al。21)丰富了DDA方法和研究Daguangbao的流动特性和东河口汶川地震引发的山体滑坡。

上述研究通常认为同震的山体滑坡块系统和主要集中在他们的运动特征,例如,跳动的距离,影响区域,或沉积地形。值得注意的是,其中的一些研究滑坡的启动机制和地震波传播的不连续性的至关重要的作用。针对这个问题,改进的DDA方法引入人工关节和粘性边界采用本文研究活化过程和动态响应下马家沟滑坡的地震和分析其破坏机理和运动模式。

2。马家沟滑坡的地质背景

马家沟滑坡位于扎西河的左岸,长江的一条支流。图1显示了位置,(a) (b)空中照片,和(c)马家沟滑坡的地质剖面沿主滑方向,291°。滑坡的前沿开发一个巨大的古滑坡存款和有界的季节性的沟壑。滑动的质量有一个舌头形状,长度为537米,平均宽度为180米,最大厚度为29.5米。滑坡的高差约160米,海拔从290减少到130。斜坡地形可分为三个部分。上部的梯度变化从10°到26°,中间部分是关于12°20°,和下部的范围从30°、45°。

探讨了钻孔和浅井,滑带土在表面之间的接触带矿床和下伏基岩。的滑动面平均梯度18°。上滑动质量主要由砂、泥岩碎片与砾石混合。马家沟区域的基石是层间的泥质粉砂岩、粉砂质泥岩侏罗系遂宁的形成。其中,泥岩风化后很容易形成软弱夹层和软化水。基岩发生270°~ 290°∠15°~ 18°(倾斜方向/倾角),下降,温和得多,在同一方向,斜率,显然有利于滑坡的地质构造现象。

为了掌握马家沟滑坡的变形特征和演化趋势,两个深层位移监测孔,分别设置在海拔177米(ZK1)和190米(ZK2)和长期定期滑坡变形进行观测。

3所示。改进的基于块的方法

1988年,一本小说离散的数值方法,即非连续变形分析(DDA),是由施博士(22]研究岩石的静力学和动力学块系统。假设岩体作为一个整体组装由不连续分隔开的。牛顿第二运动定律是用来描述每一块的运动,和联系人点球弹簧应用于避免块之间的渗透。不同于民主党,银两的控制方程通过最小化闭塞系统的总势能和隐式地解决它们。

3.1。基于控制方程

您有以下形式的控制方程: 在哪里

和表示广义位移和力向量; , ,和分别是质量、阻尼和刚度矩阵;在当前的谈判计划,没有考虑阻尼,而动态系数(值从0到1)传输速度之间的时间步骤是用来消除能源(23- - - - - -25];是时间步的间隔;是当前时间步的初始速度,也就是说,之前的时间步的终端速度。

替换和方程(1)和重新安排,推动世界贸易组织多哈回合谈判达成具有控制方程可以写成: 在哪里是一个6阶子矩阵,取决于材料的性质 ,和 有关块之间的接触状态和 ; 和6日的顺序向量,是块广义位移向量 ,和作用在物体上是广义力向量 。

方程(3)是不断解决实现没有突破的状态块系统通过调整相邻块之间的接触弹簧。

3.2。压裂建模

最初的DDA方法处理块状岩石。然而,许多岩体并不是完全离散,但间歇甚至完好无损。为了扩大谈判的研究对象,作者(26)合并的人造关节是陪着压裂算法到银两岩体的continuous-discontinuous过程模型。岩体是切成三角块系统实际和人工关节,和人工关节债券相邻块的凝聚力。凝聚力不断发展为岩体移动和变形,在正常的方向,它可以由图2。

当正常的凝聚力在人工关节降低为零,人工关节会出现拉伸断裂,成为一个真正的联合。人工关节的剪切破坏针对摩尔-库仑准则可以判断: 在这切向接触力;是人造关节的长度;和分别凝聚力和内摩擦角的岩石。

3.3。粘性边界

一般来说,数值计算模型是一个有限域从一个工程的网站,和人工边界可能导致应力波的反射,这是不符合现实。提出的粘性边界Lysmer et al。27)可以解决这一缺陷,吸收波能量模型的边界。作者介绍了为解决动态问题的谈判(28]。

作为显示在图3,两对正常和剪切阻尼器应用于每个边界块。粘滞阻尼器产生的牵引是相反的,成正比的速度块,可以表示如下: 在哪里是岩石的密度;和块的正常和剪切速度分量,分别;和分别是纵波和横波速度。

基于最小势能原理,粘性牵引的贡献可以获得控制方程。详细的推导过程在文献[28]。

4所示。马家沟滑坡的动态响应

4.1。数值模型和参数

在实地调查的基础上,建立马家沟滑坡的计算模型(如图4)。在模型中,被视为一个完整的岩石块基石,几个弱层泥岩层被视为关节,和滑体分为三角块保税人工关节。满意的机械参数威布尔分布的被分配到滑块来考虑材料的非均质性。一些设置监视点表面和内部的压倒性的胜利。应该注意的是,负位移,速度和加速度 - - - - - -仿真得到的方向代表了下坡运动。

至于地震输入,原始的基于直接适用时间加速在每一块的身体力量,这可能引起不正确的块的绝对运动。一些努力已经在英国的地震输入方法29日- - - - - -31日]。通常,另一种方法是应用地震加速度基本块大质量。在这个模拟过程中,我们也采用这种方法,即地震波是应用于大型基础块。粘性边界实现模型的横向边界。

表中列出的材料参数1用于计算。滑带抗剪强度参数的固结快剪试验,获得的自然状态和饱和状态后直接剪切测试几个wet-dry周期(32]。滑体的混合土壤和碎石,及其抗剪强度参数是通过大型直剪试验(32]。由于缺少测试数据,抗拉强度参数估计的凝聚力。

此外,基于动态分析还涉及一些非常重要的计算参数,如时间间隔,最大位移比,和动态系数。一些研究人员验证您的解析解和振动台试验时,发现时间间隔很小,最大位移比接近的时间间隔,和动态系数大于0.95,可获得更合理的结果(33- - - - - -35]。在此基础上,本文计算设置时间间隔为0.001秒,最大位移比0.001,和动态系数为0.98。

4.2。巴东地震

2013年12月16日,女士5.1地震发生在巴东县,中国湖北省。一个明显的变形监测,马家沟滑坡的脚趾。图5情节由滑动位移曲线测量倾斜在ZK1 ZK2从12月14日,2013年,2014年4月22日,地震前后的位移变化。可以看出,滑动面深度的ZK1和ZK2 30米和26米,分别。地震发生后,一个下坡变形产生的滑坡,地震前的趋势一样,直到4月22日,2014年,逐步恢复。地震导致的位移在ZK1随深度线性减少,和2.4毫米的最大发生表面上。然而,由于ZK2水位变动区,位移是更复杂的,4.6毫米的最大发生8米。

根据震级和震中的距离巴东地震,地震加速度峰值在马家沟面积可以计算为0.24 m / s²(36]。调整记录地震波的振幅和转换的方向滑动面获取输入地震波(如图6)。去年12月,三峡水库的水位175米,相应地,滑动体低于175米设置为饱和。图7显示由地震引起的位移在ZK1 ZK2模拟谈判。我们可以发现模拟位移沿深度分布是在良好的协议与监测结果。水平位移分布在滑坡,在图8表明,巴东地震造成马家沟滑坡滑下坡作为一个整体,和中间的表面变形。然而,它需要更多的监测数据证实了。

4.3。发生强烈地震

马家沟滑坡位于地震多发地带。强烈地震可能引发滑坡活动,造成严重的灾难。因此,预测失败的活化过程和理解特性和滑坡机制是至关重要的。此外,水库水位波动的影响也不能忽视。假设,一个强大的地震作用于马家沟滑坡,其失败145米和175米水位以下过程模拟,和动态响应的不同部分滑坡。

在这个模拟过程中,考虑到水平地震波有更大的影响,合成地震波峰值加速度的1 g,绘制在图9马家沟滑坡行为水平。如数据所示10和11滑坡是强震下重新激活。首先,最初的地震力下的滑坡略向下幻灯片,和几个拉伸裂缝在顶部开始。然后,随着剪切强度退化的水库水,滑坡的脚趾部分分散,与强烈的摇晃下的中间部分。之后,一些交叉裂缝生成中间的滑坡由于脚趾的阻力损失。最后,不断产生的碎片在脚趾和落入扎西河面前,和脚趾之间的沟滑坡的进一步扩大。地震发生后,滑坡大致分解成四个部分。175米水位条件下,滑坡失败更严重,甚至阻止扎西河。这是滑带土的大范围恶化密切相关的水库水。

图12显示了监视点的水平速度历史滑坡在地震和175杆。它可以观察到,滑动群众运动可以分为四种模式:(1)监视点S1是压倒性的脚趾的面前。后支离破碎,它是免费的落入河,爬到银行的对面。这动作很暴力,最大速度为33.4米/秒16岁(2)监视点S2 ~ S4是位于脚趾和滑坡。10年代,脚趾坏了,合成具有高动量和作为一个单元开始下滑的速度> 10 m / s。他们有四个重要的速度周期。在第一个循环,S3到达峰值速度14.1米/秒17岁。在第二个周期,S2达到13.5 m / s的速度峰值26.5 s。S4的运动在滑坡中相同的模式,但要慢得多(3)监视点S5 ~ S8位于中间,滑坡。0到22之间的年代,他们有伟大的运动速度较低的< 4 m / s。22秒后,他们周围的速度0,因此基本上保持静态(4)监视点D1 ~ D5在滑坡。他们用相同的波形几乎同步移动。其中,D5滑坡高层有一个更高的最高速度为2.6米/秒

图13比较监视点的峰值速度在145米和175米水位。它表明,滑坡的滑动阻力脚趾减少随着水位上升,导致更快的幻灯片。滑坡表面,脚趾的速度更快,而中部和顶部的速度没有多大差别。在滑坡,速度与海拔大约线性增加。图14显示了峰值加速度监测点在145米和175米水位。我们可以观察到地震波的局部放大,表明该方法可以模拟岩体的波传播。脚趾的最大加速度放大系数,达到20 - 7.2在175米和145米水位,分别。而顶部浅,放大系数最低,1.7和1.9在175米和145米的水位,分别。滑坡内部的放大因子与高度增加,反映出床上用品的飞机对地震波的放大效应。

5。结论

本文改进的DDA方法引入人工关节和粘性边界,是用来调查马家沟滑坡的动态响应。2013年巴东地震引发的山体滑坡的变形进行了分析,并且计算结果与监测数据吻合较好,说明数值方法是适用的。在此基础上,考虑一个假想的强大的地震和水库水位的涨落,马家沟滑坡的失败和运动过程模拟。一些数值观察改进的知识重新激活滑坡的机理和动力学特征。(1)启动失败张力裂缝的滑坡。然后,滑坡脚趾恶化的水库水连续强震下坏了。随后,滑坡中间失去了抵抗的脚趾和骨折。最后,将滑坡分为几个部分,一些碎片从脚趾和扎西河。它可以得出结论,马家沟滑坡的复活是密切相关的强度退化滑坡脚趾的水库水。因此,水位是一个重要的因素,水库银行滑坡的稳定性(2)滑动质量有各种运动模式。滑坡脚趾,特别是前面,在高速度移动,这有几个明显的acceleration-deceleration周期。中间的滑坡运动大大地震的早期和中期,然后逐渐达到稳定状态的滑动阻力。基岩的运动基本上是同步的,而床上用品的飞机可以加快(3)地震波是在滑坡表面显著放大。更大的放大因素集中在滑坡脚趾。在中间和滑坡,放大因素不敏感的高度,但在浅,放大因素小。床上用品的飞机在滑坡的放大效应的地震波是明显的

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者承认,非常感谢支持本研究的国家重点研究发展计划(2017 yfc1501304)和中国国家自然科学基金(41772328和41772328)。