基于FLAC3D的層狀巖石邊坡抗震穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

摘 要：為研究地震作用下層狀巖石邊坡的穩(wěn)定性，以西南地區(qū)的典型邊坡為原型，使用FLAC 3D軟件建立數(shù)值模擬模型，在指定的地震動荷載條件下計算開挖后不同的邊坡形態(tài)對穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，以現(xiàn)行規(guī)范為參照，得出在地震作用下容許的最大邊坡開挖高度和坡度，同時指出其破壞的外觀表現(xiàn)為橫向擴展或順層滑移等形式。

關(guān)鍵詞：地震;巖石;層狀邊坡;FLAC3D;穩(wěn)定性

由于邊坡內(nèi)部層狀分布的特性，層間空隙及軟弱層的存在使得動荷載在坡體中傳遞時可能誘發(fā)滑坡或垮塌。在地震作用下這一類型的邊坡的破壞機理一直是有待探索的方向。本文基于FLAC3D軟件的建模以及動力時程分析方法[1]，對某實際工程的順層巖質(zhì)邊坡施加地震荷載，進行相關(guān)穩(wěn)定性分析，結(jié)合現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范，提出該工點的臨界安全坡高及坡度。

一、工程概況

建立模型時，參考了西南地區(qū)典型邊坡的巖土數(shù)據(jù)，天然未開挖狀態(tài)下邊坡的坡度約為20～30°，巖層產(chǎn)狀傾角約為20°。邊坡高度較大，坡表層面清晰坡內(nèi)層面緊閉而粗糙為典型硬質(zhì)巖順層邊坡[2]。各巖層按照風化程度可分為強風化、弱風化、微風化巖石。邊坡巖體物理力學參數(shù)如表1所示。

二、模型設(shè)置

模型高度為h，縱向邊界為水平線以下5m，y方向的寬度取20m，模型采用FLAC3D支持的庫倫-摩爾計算準則，同時通過 “interface”命令給巖層層面的c、φ值以及法向剛度等賦值，如圖1。

地震波采用汶川地震波節(jié)選部分[3]，峰值加速度為0.30g，地震數(shù)據(jù)時間間隔為0.02秒，持續(xù)時間取4s，其加速度時程如下圖所示。

根據(jù)邊坡外觀尺寸的不同建立了相關(guān)模型，外觀尺寸參數(shù)中坡高包括10m、15m、20m、25m、30m、40m、50m、60m，坡率包括1：1.5、1：1.2、1：1、1：0.75、1：0.5。

三、安全臨界坡高坡度計算

依據(jù)我國現(xiàn)行的《公路工程抗震規(guī)范》（JTG B02-2013）的規(guī)定[4]：采用靜力法對路基進行抗震穩(wěn)定性驗算時，高速公路和一級公路、二級公路路基邊坡高度大于20m的，路基邊坡抗震穩(wěn)定系數(shù)不應(yīng)小于1.15，路基邊坡高度小于或等于20m的，不應(yīng)小于1.1。

坡度1：1高度20m的邊坡模型，計算所得安全系數(shù)為1.00，但觀察其震后位移時程曲線和最大剪應(yīng)力云圖（圖3）可知，在地震后仍持續(xù)產(chǎn)生位移，趨向失穩(wěn)狀態(tài)發(fā)展。其余邊坡尺寸的安全系數(shù)計算如表2。

插值后可得出地震作用下該邊坡的臨界安全坡度及高度如表3。

四、結(jié)論

（一）邊坡高度、坡度與邊坡穩(wěn)定性呈負相關(guān)。層狀巖石的傾角較緩時，由于下滑力分量較小，破壞形式多為橫向裂縫擴展，地震波在坡體中傳遞時產(chǎn)生滑動。在坡度足夠陡時，更容易在地震作用下形成臨空面，邊坡內(nèi)部拉裂破壞形成滑移破壞。

（二）由剪應(yīng)力云圖可以看出，地震作用時軟弱層首先開始產(chǎn)生受剪破壞，隨后在上覆巖體自重作用下引起滑坡，此時邊坡失穩(wěn)受巖體自重和軟弱層破壞的影響較大。

（三）通過模擬計算得到地震作用下改模型邊坡在進行挖方邊坡設(shè)計時應(yīng)滿足的臨界安全高度及坡度：坡度1：0.5時動力臨界高度為12.6m;坡度1：0.75時動力臨界高度為14.51m;坡度1：1時動力臨界高度為16.87m;坡度1：1.2時動力臨界高度為18.66m;坡度1：1.5時動力臨界高度為22.27m;所得數(shù)據(jù)對巖石邊坡工程的開挖設(shè)計有一定的參考價值。

參考文獻

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[2] 白云峰. 渝懷線順層邊坡的工程地質(zhì)特征與類型劃分[C]. 中國巖石力學與工程學會.巖石力學新進展與西部開發(fā)中的巖土工程問題——中國巖石力學與工程學會第七次學術(shù)大會論文集.中國巖石力學與工程學會：中國巖石力學與工程學會，2002：468-471.

[3] 許沖，戴福初，肖建章.“5.12”汶川地震誘發(fā)滑坡特征參數(shù)統(tǒng)計分析[J].自然災(zāi)害學報，2011，20（04）：147-153.

[4] 中華人民共和國行業(yè)標準.公路工程抗震規(guī)范（JTG B02-2013）[S].北京：人民交通出版社，2014.

作者簡介：陳思芃（1996—），男，漢族，廣西南寧人，工學碩士，單位：廣西交通投資集團南寧高速公路運營有限公司，研究方向：道路路基與路面工程。