地質地球所利用顆粒流方法研究堆積層斜坡地震動力響應

　　堆積層斜坡在中國西南與東南地區廣泛分布，這些地區都曾經遭受過強烈的內動力或外動力地質作用。2008年發生在四川汶川的里氏8.0級地震，更是誘發了大量的堆積層斜坡失穩，對道路以及構筑物造成了很大的危害，而這些失穩的堆積層物質還是泥石流發生的物源。堆積層斜坡及泥石流物源對于人民的生命財產安全帶來嚴重威脅，其主要介質為土石混合體，其形成過程經歷了復雜的地質作用，如構造運動、河流下切、風化作用以及搬運堆積等，多形成于第四紀時期，在這個過程中地震又往往起到加快這一形成過程的作用。

　　這種堆積層斜坡內部包含的土石混合體物質組成復雜，包括土體、砂、風化程度不同的塊石、礫石等，在材料性質上表現出明顯的非均質及非連續的特點，其原因主要是由于堆積體復雜的內部結構以及高度非連續的材料密度所導致的。堆積斜坡在地震動載荷作用下的動力響應問題主要是由于其結構特點、顆粒特點及其之間的接觸特性決定的。

　　離散元方法的基本出發點是將材料視為非連續，所以尤其適合于堆積層斜坡這種顆粒材料的計算模擬。中科院地質與地球物理研究所工程地質與水資源研究室博士后赫建明等人采用了顆粒流來模擬覆蓋于基巖層之上的堆積層斜坡動力響應問題。數值模型的建立基于堆積層斜坡現場地質調查結果之上，并進行了適當的簡化處理，模型地震波輸入波形采用了汶川地震所記錄水平剪切波形。他們對模型中不同位置處特別是基巖與堆積層的交界基覆面附近的動力響應進行了相關研究。

　　對基巖層中以及堆積層中的各個監測點數據進行比較分析發現，在基巖層中的各個不同標高位置處的速度及位移波形圖總體來說呈同步發展態勢。而與之相反的是，在堆積層中不同位置處的速度及位移波形圖則變化顯著，堆積層中不同位置處的速度波形有時甚至呈反相發展，而位移波形在幅值上相差很大。

　　總體比較來看，堆積層中各監測點的震動速度明顯低于基巖層中各個監測點的速度，這樣的結果也表明了基巖上覆松散堆積層的存在是地震過程中大量堆積層斜坡產生泥石流以及滑坡的主要控制因素。該研究成果近期發表在國際刊物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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圖1 堆積層斜坡形成演變過程

圖2 堆積層斜坡計算模型的邊界條件以及內部測點布置圖