地震作用下邊坡的穩(wěn)定性分析

羅軼 馬艷波

摘要：地震作用下邊坡的穩(wěn)定性分析較為復(fù)雜，也是近年來的熱點(diǎn)課題。四川“5.12”汶川地震后，相關(guān)學(xué)者針對邊坡的地震響應(yīng)做了很多研究。文章以某工程邊坡受地震影響為例，采用擬靜力法和數(shù)值分析法，探討了一定的地震時程加速度影響下，該邊坡的變形位移情況，并對其地震影響作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

Abstract： The stability analysis of slopes under earthquake action is complex and is a hot topic in recent years. After the "5.12" Wenchuan earthquake in Sichuan， relevant scholars have done a lot of research on the seismic response of the slope. Taking the influence of an engineering slope as an example， the quasi-static method and numerical analysis method are used to investigate the deformation displacement of the slope under the influence of certain time-history acceleration， and the stability under the influence of the earthquake is studied.

關(guān)鍵詞：巖質(zhì)邊坡;動力響應(yīng);穩(wěn)定性評價

Key words： rock slope;dynamic response;stability evaluation

中圖分類號：U213.1+3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）26-0143-02

1? 概述

邊坡的地震反應(yīng)分析不僅與邊坡巖土體的動力特性有關(guān)，且與輸入地震動力的特性密切相聯(lián)，遠(yuǎn)比邊坡的靜力分析復(fù)雜。在動力荷載作用下，邊坡是否失穩(wěn)的關(guān)鍵是巖土體對加載速率的響應(yīng)。在地震中，地震波沿著坡體傳輸，坡體則遭受不同加載速率和應(yīng)變速率的動力荷載，導(dǎo)致坡體內(nèi)巖土體強(qiáng)度的明顯變化。

近年來，地震作用下邊坡穩(wěn)定量研究分析方法主要?dú)w結(jié)為5種，擬靜力法、Newmark滑塊位移法、數(shù)值分析法、模型試驗法和綜合法。本文采用擬靜力法和數(shù)值分析法對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

2? 工程概況

某工程邊坡后緣高程1630～1658m，前緣河水面高程約1415m，高差為215～243m。兩岸均為基巖岸坡，屬基巖斷塊構(gòu)造剝蝕中高山及河谷地貌，自然邊坡坡度一般50°～70°，坡腳及溝谷處大部分被第四系松散物所覆蓋，階地不發(fā)育。邊坡巖性為英安質(zhì)凝灰?guī)r，坡體表面局部出現(xiàn)拉裂變形，但未發(fā)現(xiàn)前緣剪出口，考慮該邊坡仍處于變形發(fā)展階段。

3? 擬靜力法

在邊坡穩(wěn)定性分析中，擬靜力法因為簡便易操作，在工程實(shí)踐中應(yīng)用廣泛。該方法是將地震作用力等效為水平方向或垂直方向的不變加速度作用，運(yùn)用極限平衡理論，將其沿滑動面進(jìn)行分解，并得到沿滑動面的安全系數(shù)。擬靜力法是在理想條件下進(jìn)行的計算，實(shí)際中邊坡是非剛性體，地震作用力的大小和方向也是變化的，所以該方法無法準(zhǔn)確反映邊坡的地震動力反應(yīng)特征。

采用擬靜力法中的傳遞系數(shù)法進(jìn)行計算，并考慮暴雨、地震等因素對邊坡穩(wěn)定性的影響。區(qū)內(nèi)地震基本烈度為Ⅶ度，水平地震系數(shù)取KH=0.15，建立模型如圖1。根據(jù)室內(nèi)試驗和相關(guān)經(jīng)驗，參數(shù)取值見表1，穩(wěn)定性成果見表2。

按照《滑坡防治工程勘查規(guī)范（GBT32864-2016）》對邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的劃分，該邊坡在天然狀況下穩(wěn)定性系數(shù)大于1.15，屬于穩(wěn)定狀態(tài);地震條件下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生持續(xù)暴雨時穩(wěn)定性有所降低，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。從計算結(jié)果來看，該邊坡的穩(wěn)定性基本符合其變形跡象。

4? 數(shù)值分析法

數(shù)值分析法進(jìn)行邊坡動力響應(yīng)分析方法很多，常用的有動力有限元法、離散元法和有限差分法。本次采用動力有限元法，盡管其計算量大，結(jié)果處理繁雜，但可以分析坡體在地震荷載作用下的反應(yīng)加速度、位移、剪應(yīng)變等變化過程，并求得其瞬時安全系數(shù)，對于大型復(fù)雜邊坡研究具有重要意義。

利用現(xiàn)場實(shí)測剖面來建立動力有限元模型，模型的基底高程取1350m，建立的有限元模型如圖2。采用收集到的相近的地震加速度時程曲線進(jìn)行類比，其曲線圖如圖3，計算模型各介質(zhì)的計算參數(shù)如表3。

分析表明，地震作用下最大主應(yīng)力為13.9～6606.5kPa，最小主應(yīng)力為-247.4～2312.2kPa。最大主應(yīng)力在滑面兩側(cè)變化較大，而最小主應(yīng)力在地震條件下于坡腳處出現(xiàn)拉應(yīng)力，坡腳處是斜坡中應(yīng)力差最大部位，通常是斜坡中最容易發(fā)生變形和破壞的部位。在地震條件下，最大位移出現(xiàn)在坡體中后部，最大水平位移為0.0136m，最大垂直位移為0.0131m。地震動力荷載條件下主應(yīng)力及位移的等值線圖分別如圖4～圖7。

在地震作用下，邊坡受往復(fù)振蕩的地震波的作用，邊坡會隨著波的往復(fù)振蕩而發(fā)生相應(yīng)的瞬間變形，并表現(xiàn)為坡體向外發(fā)生變形，邊坡瞬時穩(wěn)定性降低;坡體向坡內(nèi)發(fā)生變形，邊坡瞬時穩(wěn)定性增高。

地震荷載作用下，邊坡瞬時最大、最小穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.462、0.796。其中最大穩(wěn)定性系數(shù)出現(xiàn)在6.2～6.4秒處，最小穩(wěn)定性系數(shù)出現(xiàn)在7.0～7.4秒處（圖8）。觀察發(fā)現(xiàn)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化與所加載的地震加速度時程曲線密切相關(guān)，其穩(wěn)定性時程變化曲線與地震加速度時程曲線的波峰、波谷出現(xiàn)剛好相反。

研究表明，在地震荷載作用的瞬間，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)存在小于1.0的瞬間情況，但這并不意味著邊坡的整體失穩(wěn)。結(jié)合前述應(yīng)力應(yīng)變分析，地震對變形體有一定影響，但整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

5? 結(jié)論

①邊坡地震響應(yīng)問題較復(fù)雜，定量分析方法中傳遞系數(shù)法假設(shè)坡體為絕對剛性體，擬靜力是不變量，邊坡失穩(wěn)的唯一判據(jù)是穩(wěn)定性系數(shù)是否小于1，因此其局限性較大，但正因為其只有唯一解，操作簡單，廣泛運(yùn)用于工程實(shí)際。動力有限元法較好地考慮地震和邊坡巖土體的動力特性，能反應(yīng)地震過程中邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨時間的動態(tài)變化過程，反應(yīng)坡體變形和應(yīng)力的特征，對研究地震作用下邊坡的動力響應(yīng)具有重要意義。②結(jié)合野外調(diào)查，通過傳遞系數(shù)法和動力有限元法綜合分析，該邊坡在天然條件下整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，在地震條件下整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。地震條件下，最小主應(yīng)力在坡腳處出現(xiàn)拉應(yīng)力，通常是斜坡中最容易發(fā)生變形和破壞的部位;最大位移出現(xiàn)在坡體中后部，這與地震波的放大效應(yīng)有關(guān)。③受地震波影響，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化與所加載的地震加速度時程曲線密切相關(guān)。邊坡受往復(fù)振蕩的地震波的作用，瞬時穩(wěn)定性系數(shù)變化較大，可能出現(xiàn)震后邊坡基本穩(wěn)定但震中瞬時穩(wěn)定性系數(shù)小于1的情況。

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