不同地震荷載作用下邊坡穩(wěn)定性研究*

汪旭濤 李 恒 王 平

(中國地震局地震研究所(地震大地測量重點試驗室)，武漢 430071)

不同地震荷載作用下邊坡穩(wěn)定性研究*

汪旭濤 李 恒 王 平

(中國地震局地震研究所(地震大地測量重點試驗室)，武漢 430071)

介紹地震荷載對邊坡動力響應(yīng)分析的基本原理和計算方法，結(jié)合秭歸縣郭家壩邊坡實例，分別采取不同地震荷載的時程數(shù)據(jù)，直接輸入有限元軟件計算，獲得了不同地震荷載作用下邊坡位移、剪應(yīng)力等動力響應(yīng)。

邊坡;穩(wěn)定性;地震荷載;時程分析;動力響應(yīng)

1 引言

地震誘發(fā)的巖質(zhì)邊坡破壞是常見的地震災(zāi)害，特別是在山區(qū)和丘陵地帶，其數(shù)量多、分布廣、危害大。地震引發(fā)邊坡失穩(wěn)問題一直是巖土工程界學(xué)者關(guān)注的重、難點之一。

目前分析地震荷載對邊坡穩(wěn)定性問題的方法主要有擬靜力法和有限單元法，擬靜力法未考慮邊坡受力的動態(tài)特征，有限單元法可很好地彌補(bǔ)一缺陷。

本文采用有限單元法，將邊坡從深部基巖切割出來，通過邊界條件建立動力平衡方程，采用地震動力時程數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入有限元軟件分析計算［1］。

2 地震荷載計算分析理論

根據(jù)邊坡體結(jié)構(gòu)模型，按連續(xù)介質(zhì)建立動力平衡方程［2］:

式中，uxg(t)、uyg(t)、分別為水平與豎向地震加速度。

直接用數(shù)值積分的方法求解方程(1)得到邊坡動力響應(yīng)后的剪應(yīng)力場和剪應(yīng)變場。

3 工程概況

選取湖北省秭歸縣郭家壩巖質(zhì)邊坡為例進(jìn)行分析，該邊坡系公路開挖形成，坡面見局部掉塊、小規(guī)模塌滑等變形破壞現(xiàn)象，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。邊坡規(guī)模較大，危害對象較多，是秭歸縣規(guī)劃移民Ⅲ標(biāo)段重點須治理的邊坡之一。

3.1 工程地質(zhì)條件

邊坡由侏羅系香溪組泥頁巖、砂巖或泥頁巖與砂巖互層組成，巖層產(chǎn)狀多變，與邊坡關(guān)系較復(fù)雜，邊坡結(jié)構(gòu)多變，以巖質(zhì)斜交坡為主。邊坡長420 m，邊坡高約8～13 m不等，坡角多集中在45°左右。

邊坡區(qū)域地下水不豐富，主要為淺部第四系孔隙水及深部基巖裂隙水。

3.2 區(qū)域地質(zhì)背景

該邊坡位于秭歸盆地，系侏羅系組成的向斜盆地，向斜槽部侏羅系地層產(chǎn)狀平緩，一般小于20°，翼部產(chǎn)狀變陡，一般30°～40°，局部可達(dá) 60°～70°。根據(jù)盆地東緣地層接觸關(guān)系，構(gòu)造特征，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)分析，推測盆地東側(cè)邊界主要為拗折型。

該場地抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度為 0.05 m/s2。

歷史近期對該邊坡有影響的主要地震記錄為:1979年秭歸龍會觀5.1級地震、2008年秭歸屈原鎮(zhèn)4.1級地震［3］。本次模擬計算主要是反演出這兩個地震動時程曲線，外加一條人工擬合地震時程曲線，分別導(dǎo)入模型進(jìn)行計算分析。

4 模型的建立

該邊坡自形成以來未發(fā)現(xiàn)明顯的變形破壞跡象，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。在工程地質(zhì)分析基礎(chǔ)上，著重分析不同地震荷載對該邊坡穩(wěn)定性的影響。

由于地震荷載對邊坡穩(wěn)定性影響計算尚處于探索階段，故將該邊坡簡化為均質(zhì)、連續(xù)的彈性模型，并將地震荷載視為影響和控制邊坡穩(wěn)定性的主要因素，模型水平方向為水平單向約束，基底為固定約束。

有限元計算采用Geo-slope公司的Quake/W進(jìn)行，選取一代表性的典型邊坡剖面。其巖土材料由一種材料組成，其動彈性模量為17.8 GpPa，泊松比為0.2，阻尼比為0.1。模型圖如圖1。

圖1 邊坡地震模型Fig.1 Model of the slope seismic

5 地震荷載對邊坡穩(wěn)定性影響分析

5.1 不同地震荷載

分析共選取三條動力時程數(shù)據(jù)，分別為:

1)秭歸龍會觀5.1級地震對應(yīng)影響效果的時程曲線，峰值加速度為0.039 7 m/s2，所對應(yīng)時間為5.805 s，持時為24.32 s，其加速度時程曲線如圖2。

圖2 秭歸龍會觀5.1級地震對應(yīng)的加速度時程Fig.2 M5.1 earthquake acceleration time curve in Longhuiguan of Zigui

2)秭歸屈原鎮(zhèn)4.1級地震對應(yīng)影響效果的時程曲線，峰值加速度為0.056 6 m/s2，所對應(yīng)時間為7.33 s，持時為 45.0 s，其加速度時程曲線如圖 3。

圖3 秭歸屈原鎮(zhèn)4.1級地震地震對應(yīng)的加速度時程Fig.3 M4.1 earthquake acceleration time curve in Quyuan Town in Zigui

3)人工合成時程曲線，峰值加速度為0.05 m/s2，所對應(yīng)時間為6.68 s，持時為40.96 s，其加速度時程曲線如圖4。

5.2 不同地震荷載對邊坡的影響

分別將三組加速度時程數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算，得到龍會觀5.1級地震、屈原鎮(zhèn)4.1級地震及人工合成時程所對應(yīng)的邊坡應(yīng)力應(yīng)變等值云圖，并與自然狀態(tài)下邊坡應(yīng)力狀態(tài)相對比(圖5～11)。

1)自然狀態(tài)下(圖5)

2)秭歸龍會觀5.1級地震荷載作用下邊坡應(yīng)力應(yīng)變等值云圖如圖級地震荷載作用下(圖6、7所示:)

3)秭歸屈原鎮(zhèn)4.1級地震荷載作用下邊坡應(yīng)力從圖5～11可以看出

1)三個不同地震時程動荷載引起水平位移均為0.1 mm量級，且均呈現(xiàn)從下到上遞增的規(guī)律，即邊坡對地震反應(yīng)上沿高程存在一定的放大效應(yīng);

2)通過三個不同地震時程動荷載引起邊坡水平位移等值線云圖可知，等值線近似等間距分布，地震荷載對邊坡水平位移的影響呈現(xiàn)較強(qiáng)的線性規(guī)律，說明邊坡巖土體對地震動荷載有滯后效應(yīng);

3)邊坡在不同地震動荷載影響下，最大剪應(yīng)變有一定的差異性，但總體呈現(xiàn)如下規(guī)律:坡肩較小，坡腳較大，且坡腳處等值線急劇加密，剪應(yīng)變在坡腳處急速加大;

4)邊坡動應(yīng)力并不很高，雖出現(xiàn)動應(yīng)力集中部位，但影響范圍很小，因此對整個邊坡的穩(wěn)定性不會產(chǎn)生嚴(yán)重影響。但邊坡邊緣點動應(yīng)力較大部分，局部巖體應(yīng)力超限是可能的。

圖4 人工合成加速度時程Fig.4 Synthetic acceleration time curve

圖5 自然狀態(tài)下最大剪應(yīng)力等值云圖Fig.5 Contour cloud chart of maximum shear stress under the natural state

圖6 龍會觀地震荷載下水平向位移等值云圖Fig.6 Contour cloud chart of horizontal displacement under seismic load in Longhuiguan

5)秭歸屈原鎮(zhèn)4.1級地震對應(yīng)影響效果的時程加速度荷載對該邊坡影響最大，其水平位移和剪應(yīng)變集中情況較其他兩種條件下都要大。這是由于屈原鎮(zhèn)4.1級地震是距離該邊坡最近的一個，與邊坡受近距離地震大脈沖影響較大的事實相符。

6 結(jié)語

1)建立符合實際邊坡固有動態(tài)特征的“邊坡結(jié)構(gòu)”的數(shù)值模型及相應(yīng)的邊界條件是獲得正確的動力響應(yīng)的前提。

圖7 龍會觀地震荷載下最大剪應(yīng)變等值云圖Fig.7 Contour cloud chart of maximum shear strain under seismic load in Longhuiguan

圖8 屈原鎮(zhèn)地震荷載下水平位移等值云圖Fig.8 Contour cloud chart of horizontal displacement under seismic load Quyuan Town

圖9 屈原鎮(zhèn)地震荷載下最大剪應(yīng)變等值云圖Fig.9 Contour cloud chart of maximum shear strain under seismic load in Quyuan Town

圖10 人工擬合地震荷載下水平位移等值云圖Fig.10 Contour cloud chart of artificial fitting horizontal displacement under seismic load

圖11 人工擬合地震荷載下最大剪應(yīng)變等值云圖Fig.11 Contour cloud chart of maximum shear strain under artificial fitting seismic load

2)衡量邊坡穩(wěn)定性的一個重要因素是剪應(yīng)變，通過分析，在對該邊坡防護(hù)治理過程中，可對邊坡坡肩、坡腳分部位進(jìn)行有針對性的治理。

3)邊坡在動力作用下的破壞機(jī)理及穩(wěn)定性評價是一個十分復(fù)雜的問題，建議從不同地震荷載影響角度進(jìn)行分析，并結(jié)合不同分析方法，綜合研究。

1 Geo-slope International Ltd..QUAKE/W for finite element dynamic earthquake analysis user’s guide［R］.Geo-slope International Ltd.，2002.

2 祁生文.邊坡動力響應(yīng)分析及應(yīng)用研究［D］.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，2002.

3 武漢地震工程研究院.湖北省宜昌市香溪長江公路大橋工程場地地震安全性評價［R］.2010.

STUDY OF SLOPE STABILITY UNDER DIFFERENT SEISMIC LOAD

Wang Xutao，Li Heng and Wang Ping
(Kay Leboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071)

This paper introduces the basic principle and calculation method of the seismic load on the slope dynamic response analysis.Taking the slope of Guojiaba in Zigui as an example，using the different time-procedure data under the action of seismic load respectively，inputing finite element calculation software directly，we can obtain the different dynamic responses under different seismic load，such as slope displacement and shear stress stress，etc.

slope;stability;seismic load;time-procedure analysis;dynamic response

P642.27

A

1671-5942(2013)Supp.(Ⅱ)-0045-04

2012-10-23

中國地震局地震研究所所長基金(IS200856068)

汪旭濤，男，1982年生，工程師，主要從事巖土工程監(jiān)測及穩(wěn)定性評價方面的研究工作.E－mail:309344453@qq.com