岷江雙線特大橋高邊坡穩(wěn)定性研究

陳 行，邱 敏，彭雅婷，龍雪梅，鄒祖銀，2

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，四川都江堰611830;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都610031)

0 引言

邊坡穩(wěn)定性一直都是巖土地質(zhì)研究中經(jīng)久不衰的課題，地震及降雨引發(fā)邊坡坍塌、滑坡以及泥石流等邊坡失穩(wěn)問(wèn)題尤其如此。目前，單工況下邊坡穩(wěn)定性的研究層出不窮，多工況耦合作用下邊坡穩(wěn)定性的研究則報(bào)道較少。蔣中明等［1］通過(guò)自編FISH函數(shù)實(shí)現(xiàn)了邊坡三維飽和滲流計(jì)算分析;劉春玲等［2］利用FLAC3D對(duì)某邊坡地震穩(wěn)定性進(jìn)行了研究;齊信等［3］基于GIS技術(shù)對(duì)汶川地震強(qiáng)震區(qū)地震誘發(fā)滑坡與后期降雨誘發(fā)滑坡控制因子進(jìn)行了耦合分析;龔文俊等［4］采用GEOSTUDIO軟件以甘肅西和Ⅲ號(hào)滑坡為例研究了降雨和地震耦合作用對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響。邊坡穩(wěn)定性與人類(lèi)生產(chǎn)生活息息相關(guān)，因此，對(duì)邊坡穩(wěn)定性的研究顯得尤為重要。

本文以成蘭鐵路岷江雙線特大橋高邊坡為例，結(jié)合多種數(shù)值分析方法的特點(diǎn)，開(kāi)展天然工況、地震工況、降雨工況以及降雨-地震耦合工況下邊坡穩(wěn)定性研究和工程安全性評(píng)價(jià)，為單工況及耦合工況下邊坡穩(wěn)定性研究提供參考數(shù)據(jù)及技術(shù)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

成蘭鐵路岷江雙線特大橋高邊坡位于四川省九寨溝縣大錄鄉(xiāng)八郎溝玉瓦寨，邊坡所在的2號(hào)巖堆大致呈扇形展布于斜坡上，巖堆體縱坡較陡，坡度約在30°—38°之間，坡面長(zhǎng)滿(mǎn)雜樹(shù)，樹(shù)林茂密。該區(qū)域處于我國(guó)地貌階梯起伏最劇烈的深切陡峻高山峽谷。鐵路線路沿岷江兩岸而上，在該區(qū)域穿越了4條活動(dòng)斷裂帶，共涉及規(guī)模不等的十幾條活動(dòng)斷裂，平均滑動(dòng)速率均大于0.5 mm/a以上［5］。邊坡區(qū)域地層巖性紛雜，不良地質(zhì)分布廣，在天然條件下會(huì)引起坡內(nèi)巖土側(cè)移導(dǎo)致輕微滑坡［6］。岷江地震帶屬高烈度地震強(qiáng)震頻發(fā)區(qū)，地震基本烈度為Ⅷ度，地震峰值加速度為0.2 g［7］。該區(qū)域內(nèi)氣候多變，降水量較多，易形成暴雨。

2 模型建立

2.1 數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)

本文采用分階段彈塑性求解法、容重增加法與強(qiáng)度折減法的結(jié)合以及非線性動(dòng)力反應(yīng)分析法對(duì)邊坡天然工況、降雨工況、地震工況及降雨-地震耦合工況下的應(yīng)力應(yīng)變特征進(jìn)行研究。

2.1.1 分階段彈塑性求解法

設(shè)置摩爾-庫(kù)倫模型為材料的本構(gòu)模型，先設(shè)置粘聚力和抗拉強(qiáng)度為大值，計(jì)算至平衡后，再設(shè)置粘聚力和抗拉強(qiáng)度為分析所采用的值求解，生成初始的應(yīng)力場(chǎng)［8］。

2.1.2 強(qiáng)度折減法

首先將邊坡強(qiáng)度參數(shù)粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ同時(shí)除以折減系數(shù)F，得到一組新的粘聚力和內(nèi)摩擦角值 (c'和φ')，然后，將c'和φ'值作為一組新的材料參數(shù)輸入計(jì)算;不斷增加F值，直到邊坡達(dá)到極限狀態(tài)，發(fā)生失穩(wěn)破壞，這時(shí)所對(duì)應(yīng)的F值即為邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)［9］。用公式表示如下:

式中:F為折減系數(shù);c為巖土邊坡最初的粘聚力，kPa;φ為巖土邊坡初始內(nèi)摩擦角，(°);c'、φ'分別為經(jīng)過(guò)折減后的粘聚力和內(nèi)摩擦角。

2.1.3 容重增加法

保持巖土的粘聚力及內(nèi)摩擦角不變，逐步增加重力加速度G反復(fù)進(jìn)行計(jì)算 (逐步增加重力加速度等同于增加巖土體的容重)，直至邊坡破壞，此時(shí)采用的重力加速度Glimit與實(shí)際重力加速度 (G0，通常取值為9.8 m/s2)之比即為該邊坡的安全系數(shù)［10］，即:

2.2 模型尺寸及結(jié)構(gòu)面劃分

研究所采用的邊坡模型 (見(jiàn)圖1)長(zhǎng)180 m，寬80 m，高110 m。平均坡度降約0.48。坡體中上部易滑坡區(qū)域的坡度約36°。為便于分析，沿易滑坡區(qū)域?qū)ΨQ(chēng)軸取剖面1-1，易滑坡區(qū)對(duì)稱(chēng)軸與正北方向呈51°角。模型共由4個(gè)結(jié)構(gòu)面組成。結(jié)構(gòu)面Ⅰ是砂巖、板巖夾灰?guī)r與上層的塊石土以及碎石土的分界面，傾角40°;結(jié)構(gòu)面Ⅱ是碎石土與塊石土的分界面，傾角16°;結(jié)構(gòu)面Ⅲ是塊石土與粉質(zhì)黏土的分界面，傾角34°;結(jié)構(gòu)面Ⅳ是粉質(zhì)黏土與上層覆土的分界面，傾角38°。邊坡巖土物理力學(xué)參數(shù) (見(jiàn)表1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)所獲取資料確定。

圖1 邊坡模型Fig.1 The model of slope

表1 邊坡巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Natural and rainfall condition parameters

2.3 控制條件設(shè)置

2.3.1 天然工況

天然工況即自重工況。賦予摩爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則，采用分階段彈塑性求解法生成初始地應(yīng)力場(chǎng)，利用自編強(qiáng)度折減法計(jì)算得出天然工況下邊坡的安全系數(shù)。

2.3.2 降雨工況

降雨為該地區(qū)的主要工況。在天然工況的基礎(chǔ)上，采用強(qiáng)度折減法的思想對(duì)巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減，其后利用自編強(qiáng)度折減法計(jì)算得出不同降雨條件下的邊坡安全系數(shù)。

2.3.3 地震工況

研究邊坡位于岷江地震帶，地震頻發(fā)。采用彈塑性模型以及摩爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則。為減少變形過(guò)大對(duì)結(jié)果的影響，體系最大不平衡力設(shè)定為100，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1～5，采用最小臨界阻尼比0.005、最小中心頻率12.8的瑞利阻力。在模型底部導(dǎo)入峰值加速度為3 m/s2的汶川地震波，其達(dá)到峰值的時(shí)間為9.97 s，持續(xù)時(shí)間為20 s。

2.3.4 降雨-地震耦合工況

考慮研究區(qū)特殊的環(huán)境條件，綜合強(qiáng)度折減法和容重增加法，在降雨工況的基礎(chǔ)上施加地震動(dòng)力荷載，比較分析在不同降雨量和地震共同作用下邊坡的應(yīng)力應(yīng)變特征及其穩(wěn)定性。各耦合工況設(shè)置情況見(jiàn)表2。

表2 耦合工況設(shè)置Table 2 Multi load-case set

3 各工況計(jì)算及結(jié)果分析

3.1 天然工況及降雨工況

模擬過(guò)程中，考慮不同降雨情況對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，設(shè)置25 mm/d、35 mm/d、45 mm/d等3種降雨情況，對(duì)摩擦角、粘聚力、體積模量、剪切模量等參數(shù)分別進(jìn)行0.85、0.78、0.72倍折減。同時(shí)，考慮不同降雨情況下雨水入滲的加載作用，結(jié)合容重增加法，對(duì)土體容重進(jìn)行不同情況的擴(kuò)大。各降雨工況巖土體參數(shù)與其安全系數(shù)見(jiàn)表1。

由表1可知，自然工況下邊坡的安全系數(shù)為1.318，有較高的安全儲(chǔ)備，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。降雨量為25 mm/d時(shí)，安全系數(shù)為1.001，較天然工況降低24.23%，安全儲(chǔ)備所剩無(wú)幾，邊坡處于臨界滑坡?tīng)顟B(tài)，微小的不利影響即可啟動(dòng)滑坡。降雨量為35 mm/d時(shí)，安全系數(shù)為0.932，較天然降雨工況降低29.29%，安全儲(chǔ)備為0，此時(shí)邊坡的抗滑力小于下滑力，邊坡發(fā)生破壞。降雨量為45 mm/d時(shí)，安全系數(shù)為0.912，較天然降雨工況降低30.80%，安全儲(chǔ)備為0，較35 mm/d降雨工況，滑體產(chǎn)生更大的位移。

圖2顯示了降雨工況下安全系數(shù)隨降雨強(qiáng)度的變化，由圖2可知，當(dāng)降雨量為0時(shí)，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài);隨著降雨量的增加，邊坡穩(wěn)定性逐漸降低，且當(dāng)降雨量小于25 mm/d時(shí)降低幅度較大，降雨量大于25 mm/d時(shí)降低幅度較小。該曲線的擬合方程為:

圖3為各降雨工況下邊坡的位移分布圖。從圖3可知，不同降雨工況下的位移高值區(qū)均分布于坡腰中上部，但范圍隨降雨量增加逐步擴(kuò)大。降雨量為25 mm/d時(shí)，最大位移值為39.3 mm(見(jiàn)圖3a)，位移高值區(qū)分布于高程2683～2714 m范圍內(nèi)。降雨量為35 mm/d時(shí)，最大位移值為341.7 mm(見(jiàn)圖3b)，位移高值區(qū)分布于高程2682～2719 m范圍內(nèi)。降雨量為45 mm/d時(shí)，最大位移值為528.1 mm(見(jiàn)圖3c)，位移高值區(qū)分布于高程2681～2733 m范圍內(nèi)。

圖2 安全系數(shù)與降雨強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.2 The relationship curve between safety factors and rainfall intensity

圖3 各降雨工況下位移Fig.3 The shift diagram of different rainfall conditions

分析可知，降雨工況與天然工況相比，位移高值區(qū)分布大致相同，隨降雨量增加，雨水對(duì)土體的軟化和加載作用增強(qiáng)，位移高值區(qū)范圍沿坡面逐步擴(kuò)大，且邊坡穩(wěn)定性逐漸降低。當(dāng)降雨量達(dá)到35 mm/d時(shí)，滑體位移由39.3 mm突變至341.7 mm，表征其在雨水入滲和加載的綜合作用下發(fā)生局部滑坡，這與實(shí)際工程情況較吻合。

3.2 地震工況

數(shù)值模擬模型采用彈塑性模型及摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則。模型阻尼采用瑞利阻尼，其最小臨界阻尼比取0.005，最小中心頻率取12.8。施加汶川地震動(dòng)力作用，汶川地震波的峰值加速度為3 m/s2，持時(shí)為20 s。汶川地震波加速度時(shí)程曲線見(jiàn)圖4。

在模型的關(guān)鍵位置布置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，具體位置 (見(jiàn)圖5)為:A點(diǎn)位于高程2740 m的坡肩處，B點(diǎn)位于高程2723 m的上坡腰處，C點(diǎn)位于高程2670 m的下坡腰處，D點(diǎn)位于高程2627 m的坡腳處，記錄各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度、位移 (見(jiàn)圖6、圖7)。

由圖6可知，邊坡坡面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度響應(yīng)差異較大。坡腳D點(diǎn)加速度峰值最小，幾乎為0;坡肩A點(diǎn)其次，加速度在±0.6 m/s2范圍內(nèi)變動(dòng);坡腰C點(diǎn)的加速度在±1.23 m/s2范圍內(nèi)變動(dòng);坡腰B點(diǎn)的加速度峰值最大，加速度在-3.3 m/s2～+1.4 m/s2范圍內(nèi)變動(dòng)。

由圖7可知，坡腳D點(diǎn)位移幾乎為0;坡肩A點(diǎn)在地震波持時(shí)3.5 s時(shí)開(kāi)始移動(dòng)，11 s時(shí)位移發(fā)生突變，14 s時(shí)位移達(dá)到最大值7.3 cm;坡腰C點(diǎn)在3.5 s時(shí)開(kāi)始移動(dòng)，12 s時(shí)位移發(fā)生突變，17 s時(shí)位移達(dá)到最大值-11.5 cm;坡腰B點(diǎn)在1 s時(shí)開(kāi)始移動(dòng)，12 s時(shí)位移發(fā)生突變，18 s時(shí)達(dá)到最大值-57 cm。

分析認(rèn)為，在地震波持時(shí)18 s時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移均已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，表征各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在汶川地震作用下產(chǎn)生塑性變形。坡腰C點(diǎn)所在土層 (粉質(zhì)黏土)與坡腰B點(diǎn)所在土層 (砂巖、板巖夾灰?guī)r)在地震動(dòng)力作用下的位移有極大差異，表征發(fā)生較大相對(duì)位移，即C點(diǎn)處土層發(fā)生局部破壞，邊坡處于不安全狀態(tài)。

圖4 汶川地震波加速度時(shí)程Fig.4 The acceleration diagramin in Wenchuan seismic condition

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置分布示意圖Fig.5 The position diagram of monitoring sites

圖6 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度Fig.6 The acceleration diagram of the monitoring sites

圖7 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移Fig.7 The shift diagram of the monitoring sites

3.3 降雨與地震耦合工況

由各耦合工況坡腰B點(diǎn)加速度圖 (見(jiàn)圖8)可知，從0 s開(kāi)始各工況坡腰B點(diǎn)就有較大的加速度，其中耦合工況一最小，耦合工況二其次，耦合工況三最大。耦合工況一坡腰B點(diǎn)處加速度從0 s時(shí)的-1.27 m/s2銳減到0，然后在-1.1～1.08 m/s2范圍內(nèi)變動(dòng);耦合工況二坡腰B點(diǎn)處加速度從0 s時(shí)的4.71 m/s2銳減到0，然后在-2.01～3.15 m/s2范圍內(nèi)變動(dòng);耦合工況三坡腰 B點(diǎn)處加速度從0 s時(shí)的-7.23 m/s2銳減到0，然后在 -4.02～3.15 m/s2范圍內(nèi)變動(dòng)。

圖9顯示了各耦合工況下坡腰B點(diǎn)的位移。由圖9可知，耦合工況一、二、三的坡腰B點(diǎn)位移在0～17 s的范圍內(nèi)大致呈線性增加。耦合工況一坡腰B點(diǎn)處的位移在17.8 s時(shí)達(dá)到最大值1.9 m，之后趨于穩(wěn)定;耦合工況二坡腰B點(diǎn)處的位移在18.3 s時(shí)達(dá)到最大值5.2 m，之后趨于穩(wěn)定;耦合工況三坡腰B點(diǎn)處的位移在18.5 s時(shí)達(dá)到最大值13.6 m，之后趨于穩(wěn)定。

由降雨與耦合工況坡腰B點(diǎn)位移對(duì)比圖 (見(jiàn)圖10)可知，降雨-地震耦合工況下坡腰的位移明顯比降雨工況大。降雨量為25 mm/d時(shí)，坡腰位移在降雨工況下為0.039 m，在耦合工況下為1.9 m;降雨量35 mm/d時(shí)，坡腰位移在降雨工況下為0.34 m，耦合工況下為5.2 m;降雨量45 mm/d時(shí)，坡腰位移在降雨工況下為0.53 m，在耦合工況下為13.6 m。

圖8 各耦合工況坡腰B點(diǎn)加速度Fig.8 The acceleration diagram of slope waist point B in each coupling condition

圖9 各耦合工況坡腰B點(diǎn)位移Fig.9 The shift diagram of slope waist point B in each coupling condition

圖10 不同降雨與耦合工況坡腰B點(diǎn)位移對(duì)比Fig.10 The shift contrast figure of slope waist point B in different rainfall and coupling condition

分析認(rèn)為，降雨工況使得邊坡土體的容重和含水率增加，粘聚力和內(nèi)摩擦角降低，地震動(dòng)力作用效應(yīng)得到了放大，導(dǎo)致在降雨-地震耦合工況下，邊坡發(fā)生破壞，其位移量達(dá)到單一降雨工況和單一地震工況時(shí)的數(shù)十倍。

4 結(jié)論

結(jié)合工程實(shí)例，運(yùn)用FLAC3D有限差分軟件詳細(xì)地對(duì)成蘭鐵路岷江雙線特大橋高邊坡進(jìn)行建模，并模擬、分析了天然、降雨、地震以及降雨-地震耦合等4種工況下邊坡的位移、加速度等變化特征，對(duì)坡體的穩(wěn)定性進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)。

通過(guò)天然工況和降雨工況坡體穩(wěn)定性分析，得到天然工況和不同降雨工況的強(qiáng)度折減安全系數(shù)表以及降雨量與安全系數(shù)關(guān)系式，表明隨降雨量增加，邊坡穩(wěn)定性逐步降低，為量化分析降雨量與滑坡的關(guān)系提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

通過(guò)對(duì)比不同降雨工況與不同耦合工況，得到降雨工況和耦合工況的關(guān)系曲線，表明降雨和地震的共同作用，會(huì)大大削弱邊坡的穩(wěn)定性，使邊坡穩(wěn)定性較降雨和地震單獨(dú)作用時(shí)要低，極其容易造成滑坡。故須對(duì)類(lèi)似特殊環(huán)境的邊坡采取合適的工程措施，增加其穩(wěn)定性。

較詳細(xì)地對(duì)成蘭鐵路岷江雙線特大橋高邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬分析，為單工況以及耦合工況下邊坡的穩(wěn)定性研究提供理論依據(jù)。同時(shí)，也對(duì)大巴山、龍門(mén)山、龍泉山等其他滑坡頻發(fā)山區(qū)的研究和預(yù)警提供借鑒。

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