地质地球所利用颗粒流方法研究堆积层斜坡地震动力响应

2010-11-26 11:02 来源: 中国科学院
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  堆积层斜坡在中国西南与东南地区广泛分布,这些地区都曾经遭受过强烈的内动力或外动力地质作用。2008年发生在四川汶川的里氏8.0级地震,更是诱发了大量的堆积层斜坡失稳,对道路以及构筑物造成了很大的危害,而这些失稳的堆积层物质还是泥石流发生的物源。堆积层斜坡及泥石流物源对于人民的生命财产安全带来严重威胁,其主要介质为土石混合体,其形成过程经历了复杂的地质作用,如构造运动、河流下切、风化作用以及搬运堆积等,多形成于第四纪时期,在这个过程中地震又往往起到加快这一形成过程的作用。

  这种堆积层斜坡内部包含的土石混合体物质组成复杂,包括土体、砂、风化程度不同的块石、砾石等,在材料性质上表现出明显的非均质及非连续的特点,其原因主要是由于堆积体复杂的内部结构以及高度非连续的材料密度所导致的。堆积斜坡在地震动载荷作用下的动力响应问题主要是由于其结构特点、颗粒特点及其之间的接触特性决定的。

  离散元方法的基本出发点是将材料视为非连续,所以尤其适合于堆积层斜坡这种颗粒材料的计算模拟。中科院地质与地球物理研究所工程地质与水资源研究室博士后赫建明等人采用了颗粒流来模拟覆盖于基岩层之上的堆积层斜坡动力响应问题。数值模型的建立基于堆积层斜坡现场地质调查结果之上,并进行了适当的简化处理,模型地震波输入波形采用了汶川地震所记录水平剪切波形。他们对模型中不同位置处特别是基岩与堆积层的交界基覆面附近的动力响应进行了相关研究。

  对基岩层中以及堆积层中的各个监测点数据进行比较分析发现,在基岩层中的各个不同标高位置处的速度及位移波形图总体来说呈同步发展态势。而与之相反的是,在堆积层中不同位置处的速度及位移波形图则变化显著,堆积层中不同位置处的速度波形有时甚至呈反相发展,而位移波形在幅值上相差很大。

  总体比较来看,堆积层中各监测点的震动速度明显低于基岩层中各个监测点的速度,这样的结果也表明了基岩上覆松散堆积层的存在是地震过程中大量堆积层斜坡产生泥石流以及滑坡的主要控制因素。该研究成果近期发表在国际刊物Granular Matter(He et al. Study of seismic response of colluvium accumulation slope by particle flow code. Granular Matter, 2010, 12: 483-490)上。

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图1 堆积层斜坡形成演变过程

图2 堆积层斜坡计算模型的边界条件以及内部测点布置图