某邊坡地震工況下的穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

秋 實(shí)，左三勝

(成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都 610059)

某邊坡地震工況下的穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

秋 實(shí)，左三勝

(成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都 610059)

地震是引起邊坡失穩(wěn)的重要因素之一，文章以怒江上游干流左岸一邊坡為例，利用Flac3D軟件對其在地震工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。通過對比得出:在天然工況下，邊坡塑性區(qū)域分布范圍較小且零星，剪應(yīng)變增量和位移場分布均合理分布，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；在地震工況下，塑性區(qū)域形成貫通面，剪應(yīng)力增量集中分布在基巖與變形帶分界面，并且位移大幅增加，此時邊坡處于失穩(wěn)破壞狀態(tài)。文章對揭示邊坡在地震作用下失穩(wěn)機(jī)制提供有益參考。

數(shù)值模擬；Flac3D；穩(wěn)定性分析；地震；

0 引言

邊坡失穩(wěn)是我國常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，地震又是引發(fā)邊坡失穩(wěn)的重要因素。我國地處環(huán)太平洋和地中?！柴R拉雅地震帶之間，是個地震頻發(fā)的國家，同時我國又是個多山區(qū)的國家，所以對地震環(huán)境下邊坡的穩(wěn)定性研究就具有了非常重要的理論意義與實(shí)踐意義。Flac3D軟件在巖土工程分析中得到廣泛的應(yīng)用，尤其在非線性動力分析中，由于其采用混合離散的方法加上顯式拉格朗日算法模擬塑性破壞與流動，使得模擬結(jié)果更加趨近實(shí)際。所以文章以怒江左岸一邊坡變形體為例子，通過加載地震波加速度時程曲線，利用Flac3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其動力響應(yīng)，預(yù)測其穩(wěn)定性。

1 工程地質(zhì)概況

此邊坡位于西藏林芝地區(qū)察隅縣察瓦龍鄉(xiāng)境內(nèi)的怒江干流左岸，NE55°山脊西南端邊坡部位，總體上為斜歪起伏的山脊，上部為變形斜歪的山脊，中部為緩傾平臺，下部為較陡傾斜坡。上部坡度約40°～50°，下部坡度約50°～55°。變形體發(fā)育區(qū)巖性以灰黑色變質(zhì)粉細(xì)砂巖和炭質(zhì)板巖為主，巖層為薄層狀結(jié)構(gòu)巖層產(chǎn)狀 NW310°～NW340°/SW∠70°～85°。經(jīng)測繪與勘探，變形體寬約310 m，縱向長約395 m。

邊坡與基巖分界線除幾處崩塌堆積外清晰可見，深部根據(jù)變形體裂隙張開度、密集程度、變形巖體完整性、勘探平硐的自穩(wěn)性，可分為強(qiáng)、弱變形帶。強(qiáng)變形帶物質(zhì)結(jié)構(gòu)較松散，硐室自穩(wěn)性差，該段的勘探平硐基本需要支撐才能保證穩(wěn)定，弱變形帶結(jié)構(gòu)比較緊密，硐室基本穩(wěn)定，一般不需要支護(hù)。平均厚度75 m，其中強(qiáng)變形帶平均厚度30 m，弱變形帶平均厚度45 m，規(guī)模為918×104 m3。巖土體物理參數(shù)經(jīng)市內(nèi)土工試驗(yàn)得出，如表1所示。

此變形體地處河谷深切地帶，其臨空面巖體發(fā)生強(qiáng)烈卸荷回彈作用，形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，形成許多卸荷與拉張結(jié)構(gòu)面。地應(yīng)力研究表明此變形體最大主應(yīng)力方向與岸坡斜交，高水平的地應(yīng)力也為變形體提供了良好的應(yīng)力條件。

此變形體所在區(qū)域位于藏中地震帶內(nèi)，南端進(jìn)入滇西地震帶。所處區(qū)域新構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈，表現(xiàn)為強(qiáng)烈的大面積間歇性隆升和塊體的側(cè)向滑移及塊體邊界斷裂的走滑位移活動。

2 地震力的作用效應(yīng)

地震對巖土體的影響，一般是由下臥層向上傳遞的剪切波和壓縮波引起的，使巖土體受到一系列應(yīng)力循環(huán)的作用。但地震荷載不是周期性荷

載，其任意兩個循環(huán)峰值可能不同，巖土體所受的影響也不僅僅是因?yàn)閯雍奢d，而是受動荷載和靜荷載疊加影響，靜荷載主要是巖體自重產(chǎn)生。在疊加荷載的影響下，巖體反復(fù)瞬時加荷卸荷，使巖體結(jié)構(gòu)松動，降低其穩(wěn)定性，不斷積累最終導(dǎo)致失穩(wěn)破壞。邊坡巖土體的復(fù)雜性加上地震荷載的不確定性導(dǎo)致地震效應(yīng)對邊坡變形體的影響是個復(fù)雜的動力過程。因此，數(shù)值分析時把變形體總應(yīng)力狀態(tài)簡化為重力作用下的天然工況和水平方向地震應(yīng)力的疊加。

表1 巖土體物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 The physical and mechanical parameters of rock and soil

圖1 邊坡剖面示意圖Fig.1 Geological profile of slope

3 數(shù)值模擬模型的建立

3.1 幾何模型的建立

由于Flac3D在建立復(fù)雜形狀網(wǎng)格方面的局限性，本模型根據(jù)邊坡剖面示意圖利用Ansys軟件生成概化模型，劃分網(wǎng)格和劃分層次，之后通過鄭文棠博士后開發(fā)的Ansys to Flac3D插件轉(zhuǎn)換為. Flac3D格式文件導(dǎo)入Flac3D中進(jìn)行計(jì)算。模型長630 m，高300 m，根據(jù)邊坡變形帶的劃分分成三個部分，微新巖體命名為group1、弱變形帶group2和強(qiáng)變形帶group3，共計(jì)1936個單元，2529個節(jié)點(diǎn)。

模型采用摩爾－庫倫本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)表1得出Flac3D中摩爾－庫倫所需參數(shù)，如表2所示。

3.2 邊界條件的設(shè)置

在動力計(jì)算中，由于地震波在邊界處會發(fā)生反射從而再次進(jìn)入到模型中參與計(jì)算，為了防止

地震波在邊界上反射回模型造成模擬結(jié)果的失真，故在模型四周設(shè)置自由場邊界來模擬無限場環(huán)境，以減小地震波反射所造成的影響。模型邊界條件如圖3所示。

圖2 邊坡概化網(wǎng)格模型Fig.2 The Meshmodel of slope

表2 數(shù)值模擬參數(shù)表Table 2 Parameters of numerical simulation

圖3 模型邊界示意圖Fig.3 M odel boundaries of slope

3.3 地震波的輸入

Flac3D允許在模型邊界或內(nèi)部施加動荷載，從而模擬模型收到動荷載時的狀態(tài)，軟件允許輸入的荷載為:加速的時程、速度時程、應(yīng)力時程、集中力時程。Flac3D中地震荷載的輸入常用table命令定義的表的形式輸入，table是Flac3D中一種數(shù)據(jù)格式，表中數(shù)據(jù)成對出現(xiàn)相當(dāng)于兩列表格。

根據(jù)《怒江上游區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性與地震活動性評價報告》，變形體所在區(qū)域50年一遇10%概率地震的峰值加速度為0.13 g，近場區(qū)區(qū)域性破壞性的歷史強(qiáng)震對邊坡的影響如表3。

表3 近場區(qū)域歷史強(qiáng)震表Tab.3 Historical earthquakes of near-field region

模型底部輸入的地震波采用1976年11月25日寧河地震所記錄到的南北向地震波。寧河

地震波有效頻寬0.30～35.00Hz，峰值為0.145g/ 7.6s，適用于三類和四類場地，比較契合邊坡所在工況。用Seismosignal軟件對地震波做頻譜分析，可知其90%的能量都集中在15Hz以內(nèi)，并以此為最高頻對地震波進(jìn)行濾波，其加速度時程曲線和位移時程曲線如圖4、圖5所示。將此加速度時程曲線離散化形成Flac3D可讀入的table數(shù)據(jù)表，一列數(shù)據(jù)為時間，一列數(shù)據(jù)為加速度，每0.01秒取一次值。

圖4 寧河地震波加速度時程曲線Fig.4 Acceleration tim e history curve of Ninghe seism ic wave

圖5 寧河地震波位移時程曲線Fig.5 Disp lacement time history curve of Ninghe seism ic wave

4 模擬結(jié)果

4.1 塑性區(qū)域

由圖6(a)可知在初始地應(yīng)力作用下，塑性區(qū)域分布范圍很小，塑性區(qū)域零星分布在高程2200 m左右強(qiáng)變形帶和弱變形帶的分界處，厚度10 m左右，說明邊坡不會發(fā)生剪切破壞或拉張破壞，即使出現(xiàn)也只會是局部范圍的破壞，不會出現(xiàn)大范圍整體滑動。

在地震工況下，變形體塑性區(qū)域顯著增加，基本覆蓋全部變形帶，從圖6(b)中可明顯看出，強(qiáng)變形帶和弱變形帶均表現(xiàn)為頂部主要受拉張破壞，中部主要受剪切破壞，下部主要受拉張破壞的分布特征，并且在變形區(qū)與基巖分界面形成貫通

曲面，固滑坡在特定地震荷載下已經(jīng)不穩(wěn)定。

圖6 塑性區(qū)域分布圖Fig.6 Distribution of p lastic zones

4.2 剪應(yīng)變增量分布

確定邊坡的變形破壞范圍是進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析和防治的關(guān)鍵，依據(jù)塑性大應(yīng)變微結(jié)構(gòu)力學(xué)觀點(diǎn)，就承受塑性大變形的材料而言，原來平滑分布的變形模式被一種急劇不連續(xù)的位移梯度所取代，其特征是大量的剪切變形集中在相對狹窄的帶狀區(qū)域內(nèi)，邊界相對而言近乎平行。有研究表明:在剪切破壞面上的強(qiáng)度是逐漸發(fā)揮的，即在剪切帶上土的強(qiáng)度不是同時發(fā)揮到最大值，土的逐漸性強(qiáng)度特性是剪切帶強(qiáng)度發(fā)揮的反映。非均勻變形的發(fā)展也使得整體上表現(xiàn)土的軟化性狀是與剪切帶產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)破壞直接相關(guān)。因此，巖土體的滑動失穩(wěn)，都是沿剪應(yīng)變最大的部位發(fā)生因此，要研究邊坡的失穩(wěn)范圍，就可以通過尋找邊坡的剪應(yīng)變集中帶來獲得。

圖7 剪切應(yīng)變增量及速度矢量圖Fig.7 Shear strain increment and velocity vector contour

通過圖7(a)可以看出，減應(yīng)變增量主要集中在強(qiáng)弱變形帶交界面和坡腳處，厚度為30～40 m。由此可以看出其潛在滑動面為強(qiáng)弱變形區(qū)分界面，但由于從滑動面到外部速度變化不明顯，說明此變形體還未出現(xiàn)明顯滑動。

在地震工況下，從圖7(b)可以看出，與天然工況對比，剪應(yīng)變增量明顯增大，相差幾乎三個數(shù)量級，在變形帶與基巖交界處剪應(yīng)變增量有明顯變化，說明邊坡很可能在地震工況下沿著此面發(fā)生了滑動。

4.3位移場

圖8 水平方向位移圖Fig.8 Disp lacemen t con tour of horizontal direction

在天然工況下，如圖8(a)所示位移主要分布

在邊坡表面中上部，最大水平位移為8 cm左右，方向傾向河流方向，其余部分位移大部分分布在0～5 cm之間，可知邊坡處于穩(wěn)定階段。在輸入地震荷載后，如圖8(b)可發(fā)現(xiàn)局部最大位移為24 m，強(qiáng)變形帶的位移大部分分布在10～20 m之間，弱變形帶位移主要分布在5～10 m之間，由于位移值過大，可以判斷此邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。

5 結(jié)論

文章通過對一邊坡進(jìn)行Flac3D數(shù)值模擬來分析其在地震工況下的穩(wěn)定性問題，得出結(jié)論:在天然工況下，塑性破壞只在很小的范圍發(fā)育，剪應(yīng)變和位移場的分布合理；在地震工況下，塑性區(qū)域由零星分布發(fā)展到貫通變形體，切應(yīng)變集中范圍由淺層發(fā)展到深層，位移大幅增加，因此得出此邊坡變形體在很有可能將在地震下喪失穩(wěn)定性。

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Stability Analysis of a Large-scale Slope under Seism ic Load w ith Numerical Simulation

Qiu Shi，Zuo Sansheng
(Chengdu University of Technology，Chengdu，Sichuan 610059，China)

Earthquake is one of the prime reasons for slope failure.Based on the case ofa large-scale deformable body located on upstream Nujiang River，the authors make the numerical simulation by use the software of Flac3D. Comparisons showed:the distribution of plastic zones under initial earth stress is sporadic，the distribution of shear strain zones and lateral displacement under initial earth stress is reasonable rational；Under seismic load，there arise the complete connection of the plastic zones of the slope.The shear strain distributes on the boundary of deformable area and pedestal rock and the displacement contour of horizontal direction arises，so the slope is thought to be instable under seismic load drastically.The results are helpful to further research on the mechanism of slope instability under earthquakes.

numerical simulation；Flac3D；stability analysis；earthquake

TU

:A

:1673－8047(2015)01－0047－06

2014－07－26

秋實(shí)(1989—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榈刭|(zhì)災(zāi)害評價與預(yù)測。