地震作用下的高邊坡穩(wěn)定性及敏感因素分析

楊振甲　楊霜　姜哲（中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司，天津　301700）

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地震作用下的高邊坡穩(wěn)定性及敏感因素分析

楊振甲楊霜姜哲
（中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司，天津301700）

摘要：以柳林縣孟門鐵路煤炭裝車站儲(chǔ)運(yùn)裝工程為例，對(duì)地震力作用下邊坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，并采取有效措施降低其破壞范圍，同時(shí)分析了影響邊坡穩(wěn)定性的敏感因素，為工程高邊坡的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：邊坡，穩(wěn)定性，地震波，敏感因素

0　引言

我國(guó)山地面積遼闊，出現(xiàn)暴雨、地震等自然災(zāi)害時(shí)，大量的自然邊坡就會(huì)頻繁地發(fā)生滑坡、泥石流以及崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，給人們的生命及財(cái)產(chǎn)安全造成很嚴(yán)重的損失。因此，邊坡穩(wěn)定性的研究進(jìn)展一直備受關(guān)注。邊坡穩(wěn)定性的分析方法可分為定量和定性兩種。其中，定性分析法中數(shù)值模擬法一直是關(guān)注的焦點(diǎn)，這種分析方法對(duì)邊坡長(zhǎng)期穩(wěn)定預(yù)測(cè)與防治起了一定的保障作用。

本文主要以柳林縣孟門鐵路煤炭裝車站儲(chǔ)運(yùn)裝工程為依托，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)高邊坡在地震力作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，并對(duì)可能影響邊坡穩(wěn)定性的因素進(jìn)行敏感性分析，為以后的類似工程實(shí)踐提供參考。

1　工程概況

柳林縣孟門煤炭鐵路專用線工程裝車平臺(tái)位于山西省呂梁市柳林縣孟門鎮(zhèn)賀龍溝村。工程處在西北黃土高原地帶，其中裝車平臺(tái)位于黃土沖溝內(nèi)，地形切割較深，相對(duì)高差約66 m，局部基巖出露。

2　地質(zhì)條件

3　初步設(shè)計(jì)方案

該工程周圍邊坡較多，根據(jù)地質(zhì)資料，最高的邊坡相對(duì)高差為72 m，為了保證高邊坡的穩(wěn)定性，對(duì)其卸荷開挖，如圖1所示。

根據(jù)土質(zhì)資料及理正軟件計(jì)算結(jié)果，初步采用分級(jí)放坡的方案。邊坡上部主要以黃土為主，直立性較好，采用坡率為1∶1.0，每隔8 m高差設(shè)置一級(jí)馬道，寬度為2 m，每三級(jí)馬道設(shè)一級(jí)寬10 m的馬道；邊坡下部主要以砂土為主，仍采用分級(jí)放坡，坡率為1∶1.75，每三級(jí)馬道也設(shè)一級(jí)寬10 m的馬道；高邊坡共分九級(jí)開挖。

圖1　高邊坡示意圖

4　地震工況模擬

4.1邊界條件

地震屬于動(dòng)力荷載，是一種隨機(jī)性很大的荷載，不僅作用的結(jié)構(gòu)點(diǎn)隨機(jī)性強(qiáng)，而且在不同地點(diǎn)、強(qiáng)度大小、時(shí)間上更是無法預(yù)知的。施加動(dòng)力邊界比靜力邊界能更好的模擬動(dòng)力荷載的隨機(jī)性。

該工程中，地震烈度為6度，場(chǎng)地類型為Ⅱ類。El-centro地震波適合Ⅱ類場(chǎng)地。實(shí)測(cè)得到地震波是加速度的形式，用matlab所編程序選用拉格朗日二次插值法進(jìn)行積分，并采用二次多項(xiàng)式對(duì)地震波進(jìn)行修正，得到速度波，如圖2所示。

圖2　速度波

4.2模型的建立

模擬高邊坡工程，主要采用的是離散元與有限元相結(jié)合的軟件建立模型。模擬在地震工程下的長(zhǎng)久穩(wěn)定性，在模型的底部施加上面計(jì)算得到的地震速度波，模擬地震工況；兩側(cè)施加自由場(chǎng)邊界條件，如圖3所示。

4.3動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果

在地震波中橫波對(duì)建筑物的影響最大，周期長(zhǎng)，振幅最大。本文采用不同的入射角施加地震荷載的形式對(duì)比分析，分別為30°，45°，沿豎直方向（縱波），沿水平方向（橫波）幾種入射角度。結(jié)果如圖4～圖7所示。

圖3　邊坡模型

圖4　30°入射角6 s時(shí)的水平位移圖

圖5　45°入射角6 s時(shí)的水平位移圖

圖6　縱波6 s時(shí)的水平位移圖

圖7　橫波6 s時(shí)的水平位移圖

研究地震波的目的在于邊坡受到各種地震波作用時(shí)，破壞較為嚴(yán)重的情況是什么，且采取什么措施降低破壞的影響范圍。如圖5所示，地震波以45°入射角時(shí)對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成的破壞最大。在地震荷載強(qiáng)烈的作用下，高邊坡易發(fā)生后緣拉裂破壞，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡整體失穩(wěn)破壞。邊坡的每級(jí)坡腳、臺(tái)階處應(yīng)力集中，易發(fā)生破壞，其中最嚴(yán)重敏感的區(qū)域是邊坡中部即黃土與砂土交叉的地方，為避免出現(xiàn)滑坡或?qū)⒂绊懡档阶畹?，建議此處建立擋土墻。邊坡的坡面處土體易滑落，為了人們的安全，應(yīng)當(dāng)采取有效地坡面防護(hù)措施。

5　敏感因素分析

邊坡放坡開挖設(shè)計(jì)中，對(duì)穩(wěn)定性起決定性作用的還有坡度、坡高及臺(tái)階寬度。本文中主要對(duì)邊坡三要素進(jìn)行敏感性分析，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

將坡高、坡角、平臺(tái)寬度分別取不同的數(shù)值，對(duì)模型采用強(qiáng)度折減法計(jì)算得出各個(gè)參數(shù)的安全系數(shù)，并繪制曲線進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果如圖8～圖10所示。

圖8　單級(jí)坡高與安全系數(shù)曲線

圖9　平臺(tái)寬度與安全系數(shù)曲線

圖10　單級(jí)坡角與安全系數(shù)曲線

從圖8可知，在一定的范圍內(nèi)，單級(jí)坡高越陡，邊坡的安全系數(shù)越高，這是由于黃土的特殊性造成的，黃土具有直立性好的優(yōu)點(diǎn)，因此，在設(shè)計(jì)中適當(dāng)增加坡高是適宜的。根據(jù)調(diào)查資料及邊坡的防護(hù)需求，一般可以采用4 m～6 m或者6 m～8 m。平臺(tái)寬度與安全系數(shù)曲線較平緩，說明在一定范圍內(nèi)，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響較小，考慮經(jīng)濟(jì)因素，建議小平臺(tái)采用2 m～3 m的寬度。在工程中，當(dāng)分級(jí)級(jí)數(shù)較多時(shí)，可以采用小平臺(tái)與大平臺(tái)結(jié)合的方式，中部可設(shè)置較寬平臺(tái)，提高邊坡整體穩(wěn)定性及獨(dú)立性。坡角是對(duì)邊坡影響較大的因素，按常規(guī)計(jì)算，坡度越緩，邊坡越穩(wěn)定，然而在本工程中由于黃土邊坡的存在，坡度較陡反而有利于邊坡的穩(wěn)定性，但是考慮到邊坡坡面受雨水沖刷的情況影響，邊坡不宜過緩，因此，合理的坡度對(duì)邊坡的穩(wěn)定性有至關(guān)重要的作用。

6　結(jié)語

本文通過施加不同形式的地震波，對(duì)邊坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行了預(yù)測(cè)，通過上述分析可知，高邊坡采用初步設(shè)計(jì)后，平臺(tái)及坡腳應(yīng)力集中，坡面最容易受到破壞，因此，建議邊坡上部黃土區(qū)域可以采用人工植草技術(shù)護(hù)坡，下部砂土地方可以采用漿砌石護(hù)坡，每級(jí)的坡腳、馬道、坡頂均應(yīng)采取防護(hù)措施，可以選用漿砌毛石砌筑。

對(duì)邊坡的三要素：坡高、平臺(tái)寬度、坡角，分別進(jìn)行敏感性對(duì)比分析，可知平臺(tái)寬度在一定范圍內(nèi)改變，對(duì)其穩(wěn)定性影響不大；坡高、坡角對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大，又由于黃土的特殊性，坡高在其后面優(yōu)化中可以適當(dāng)提高，建議采用1∶0.75開挖。采用這種分析方式對(duì)以后類似工程起到很有價(jià)值的參考作用。

參考文獻(xiàn)：

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［3］韓晶晶.地震力和地下水作用下邊坡穩(wěn)定性分析［D］.成都：西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，2011.

On analysis of high slope stability and sensitive factors under seismic effect

Yang Zhenjia Yang Shuang Jiang Zhe
（Sinohydro Foundation Engineering Co.，Ltd，Tianjin 301700，China）

Abstract：Taking Mengmen Railway coal loading station in Liulin County as the example，the paper researches the long-term stability of the slope under the seismic effect，and undertakes the stability sensibility，so as to provide some reference for the optimal design of the high slope of the project.

Key words：slope，stability，seismic wave，sensitive factor

中圖分類號(hào)：TU413.62

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-6825（2016）06-0068-03

收稿日期：2015-12-15

作者簡(jiǎn)介：楊振甲（1984-），男，碩士，工程師；楊霜（1988-），女，碩士，助理工程師；姜哲（1985-），男，碩士，工程師