地震边坡破坏机制及其破裂面的分析探讨_郑颖人

体的剪切破坏，还要考虑边坡体的拉破坏。为此本
文在进行强度折减的时候既考虑了剪切强度参数的
折减，又考虑了抗拉强度参数的折减：
c′
=
c ω
，ϕ′
=
arctan
⎛ ⎜⎝
tan ϕ ω
⎞ ⎟⎠
(1)
σ
′
t
=
σt ω
(2)
式中：σ
t
为折减前的岩土体抗拉强度；c′
，ϕ
′
，σ
′
t
分别为折减后岩土体黏聚力、内摩擦角和抗拉强度。
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岩石力学与工程学报
2009 年
剪应变增量、节理单元的接触状态等，据此确定破 裂面的性质和位置。 3.1 风化岩质边坡算例概况
坡面有风化层的岩质边坡，如图 1 所示。边坡 高度为 30 m，坡角为 45°，风化层高度为 20 m，岩 体物理力学参数如表 1 所示。输入的水平地震波为 截取的一段 20 s 的集集地震波，相应的水平加速度 峰值为 7.05 m/s2，输入的水平向加速度–时间曲线 如图 2 所示。FLAC3D 计算时岩体材料为弹塑性材 料，采用 Mohr-Coulomb 强度准则，边界条件采用 自由场边界，阻尼采用局部阻尼，阻尼系数为 0.15， 先进行静力计算，后进行动力计算[14]。边界范围至 少满足静力条件下的计算精度，本算例计算边界： 坡脚到左端边界的距离为坡高的 1.5 倍，坡顶到右 端边界的距离为坡高的 2.5 倍，上下边界总高为坡 高 2 倍[13]。
摘要：地震作用下边坡破坏机制是边坡动力稳定性分析的前提，目前主要采用拟静力与动力有限元时程分析的方
法进行分析，认为地震边坡破坏机制为剪切破坏，并以极限平衡法计算得到的剪切滑移面作为地震动力作用下的
破裂面，而不考虑地震荷载作用下的拉破坏，从而使地震边坡稳定性分析失真。汶川地震边坡调研发现，滑坡上
部多数发生拉破坏，甚至有些岩土体被抛出，这是一个很好的启示，为此，采用 FLAC 动力强度折减法，结合具
当前，地震边坡破坏机制借用静力下边坡破坏 机制，认为地震边坡破坏的主要原因是岩土体的剪 切破坏，而忽视了岩土体的拉破坏对边坡破坏的影 响，与汶川地震边坡破坏现象不符，实际上边坡破 坏是滑动岩土体受拉和受剪的复合破坏作用，特别 是边坡体在地震动往复运动中，边坡岩土体更易发
生拉破坏，故边坡地震动破坏分析除了要考虑边坡
(1. Department of Civil Engineering，Logistical Engineering University，Chongqing 400041，China；2. Chongqing Engineering and Technology Research Center of Geological Hazard Prevention and Treatment，Chongqing 400041，China；3. State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu，Sichuan 610059，China)
中图分类号：P 642.22
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2009)08–1714–10
ANALYSIS AND DISCUSSION OF FAILURE MECHANISM AND FRACTURE SURFACE OF SLOPE UNDER EARTHQUAKE
ZHENG Yingren1，2，YE Hailin1，3，HUANG Runqiu3
有拉和剪切破坏分析功能的 FLAC3D 软件对地震边坡破坏机制进行数值分析。计算表明，地震边坡的破坏由边坡
潜在破裂区上部拉破坏与下部剪切破坏共同组成，而不是剪切滑移破坏，通过多种途径给出地震边坡破裂面位置
的确定方法，为边坡动力稳定性分析提供更加准确的基础。
关键词：边坡工程；地震；破坏机制；破裂面；动力有限差分法
风化层
基岩
图 1 风化岩质边坡示意图 Fig.1 Schematic diagram of weathered rock slope
第 28 卷 第 8 期 2009 年 8 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engine，2009
地震边坡破坏机制及其破裂面的分析探讨
郑颖人 1，2，叶海林 1，3，黄润秋 3
(1. 后勤工程学院 军事建筑工程系，重庆 400041；2. 重庆市地质灾害防治工程技术研究中心，重庆 400041； 3. 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)
体失稳的标志；以土体滑移面上应变和位移发生突
变作为标志；以有限元静力平衡计算不收敛作为边
坡整体失稳的标志[15]。静力计算时，塑性区贯通是
边坡破坏的必要条件，但不是充分条件，土体滑移
面上应变和位移发生突变是边坡破坏的标志，相应
有限元计算不收敛。FLAC 应用静力强度折减计算
边坡的安全系数时采用计算不收敛作为边坡破坏的
如果上述 3 个条件都满足就可以判断滑坡已经破
坏。本文主要研究破裂面的性质与位置，有关边坡
动力稳定性分析将在以后进行研究，因此，本文将
边坡参数折减至获得动力破裂面即可，不需要知道
此时边坡是否动力失稳破坏，对应的折减系数也不
是边坡的动力稳定性系数。
3 风化岩质边坡动力破坏机制分析
本文通过风化岩质边坡和土坡 2 个算例，分别 分析其在地震作用下破坏时单元破坏状态、位移和
Abstract：The failure mechanism of slope under earthquake is the premise of slope′s dynamic stability analysis. Presently，pseudo-static method and dynamic time-history analysis method are commonly used，which regard the failure mechanism of slope under earthquake as shear failure，and take the shear sliding surface obtained by limit equilibrium method as failure surface under dynamic effect of earthquake without considering the tension failure under seismic load. It may lead to inaccuracy in the stability analysis of slope under earthquake. Investigation of the slopes during Wenchuan earthquake shows that tension failures mostly appear in the upper part of the landslides，and even some rock and soil masses are thrown out，which is an obvious enlightenment. So the FLAC dynamic strength reduction and program of FLAC3D with the function of tensile and shear failure analysis are adopted to study failure mechanism of slope under earthquake numerically. The study shows that the failure of slope under earthquake is made up of the tension failure in the upper part of the fracture zone and the shear failure in the lower part instead of shear sliding failure. A method of locating the fracture surface of slope under earthquake through several ways is provided，which is an accurate foundation for dynamic stability analysis of slopes. Key words：slope engineering；earthquake；failure mechanism；fracture surface；dynamic finite difference method
本文采用以下方法进行地震边坡的破坏机制分
析：施加地震荷载进行 FLAC 动力分析，采用式(1)，
(2)逐渐降低边坡或者软弱结构面上的强度参数，直
到获得地震边坡的破裂面，以分析破裂面性质与位
置。
2.2 动力边坡破坏条件探讨
目前，静力条件下边坡破坏 3 个条件：以塑性
区或者等效塑性应变从坡脚到坡顶贯通作为边坡整
标志[14]。本文进行边坡动力失稳破坏分析时，认为
也可以从这 3 方面综合判断破坏是否处于破坏状
态：首先看破裂面是否贯通，然后看潜在滑体位移
是否突然增大，但考虑到边坡在地震作用下处于振
动状态，地震荷载是变化的，因而位移也会随之发
生突变，所以与静力问题不同，单凭位移突变尚难
以判断破坏，还必须考虑计算中力和位移是否收敛。
收稿日期：2009–04–20；修回日期：2009–06–09 基金项目：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开放基金资助项目(GZ2009–14) 作者简介：郑颖人(1933–)，男，1956 年毕业于北京石油学院石油储运专业，现任中国工程院院士、博士生导师，主要从事岩土力学、岩土工程与地 下工程方面的教学与研究工作。E-mail：cqdzzx@
2 FLAC 动力强度折减法简介
2.1 FLAC 动力强度折减法原理 静力下的有限元强度折减法是将边坡体的抗剪
强度指标 c 和 tanϕ 分别折减 ω ，折减为 c / ω 和 tanϕ /ω ，使边坡达到极限平衡状态，此时边坡的 折减系数即为安全系数。目前该方法在静力条件下， 已经非常成熟[12，13]。在 FLAC 中同样可以采用强 度折减法计算边坡的安全系数[14]。
第 28 卷 第 8 期
郑颖人，等. 地震边坡破坏机制及其破裂面的分析探讨
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1引言
地震诱发的边坡滑动是主要的地震地质灾害类 型之一，在山区和丘陵地带，地震诱发的滑坡往往 具有分布广、数量多、危害大的特点。5.12 汶川 大地震诱发了大量的滑坡，造成了巨大的经济损失 和人员伤亡。据统计，汶川地震滑坡造成的次生灾 害损失占整个地震损失的约 1/3。地震边坡稳定性分 析已成为岩土工程界和地震工程界的重要课题之 一。在边坡稳定性分析中，首先要知道边坡的破坏 机制，弄清破裂面的性质和位置。在当前地震边坡 动力稳定性分析中，一般仍然假定边坡是剪切破 坏[1～5]，通过极限平衡分析搜索得到边坡滑移面并 求得安全系数，以此评价地震边坡的稳定性[6～8]。 然而 5.12 汶川地震边坡破坏现象的调查发现：滑坡 上部多数发生拉破坏，甚至有些岩土体被抛出[9～11]， 这是一个很好的启示，为此，必须弄清地震边坡在 动力作用下破裂面的性质与位置，在此基础上，才 能更加准确的评价地震边坡的稳定性。本文利用 FLAC 动力强度折减法结合具有拉和剪切破坏分析 功能的 FLAC3D软件分别分析了具有风化层的岩质边 坡和土质边坡在地震作用下的破坏机制，主要分析了 不同时刻边坡拉破坏区和剪切破坏区的情况，探讨 了地震边坡破坏机制、过程，明确了破裂面性质与位 置，为地震边坡动力稳定性分析提供了更加可靠的基 础。