基于Geo-Studio和赤平投影法分析地震對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的研究

代超強(qiáng) 馮佳佳 卜崇陽(yáng) 彭?xiàng)钣?肖金鋒 張甫

摘 要：地震引發(fā)的滑坡是一種嚴(yán)重的次生災(zāi)害現(xiàn)象。本研究以墨竹工卡滑坡為例，為研究地震荷載和地震耦合對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，利用Geo-Studio數(shù)值模擬軟件建立邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模型，使用赤平投影分析法對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析，通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到相應(yīng)的參數(shù)，得出邊坡是否穩(wěn)定。結(jié)果表明，隨著地震強(qiáng)度的增加，邊坡穩(wěn)定性降低，邊坡在地震作用下的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)是永久變形和穩(wěn)定性安全系數(shù)。最后，通過(guò)對(duì)邊坡動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的分析，提出相應(yīng)的預(yù)防和治理措施建議。

關(guān)鍵詞：墨竹工卡滑坡;地震耦合;Geo-studio;赤平投影;邊坡穩(wěn)定

中圖分類(lèi)號(hào)：TU457 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）8-0127-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.08.027

Study on the Influence of Earthquake on Slope Stability Based on

Geo-Studio and Stereographic Projection Method

—A Case Study of Mozhugongka Landslide

DAI chaoqiang? ? FENG Jiajia? ? BU Chongyang? ? PENG Yangyou? ? XIAO Jinfeng? ? ZHANG Fu

（College of Engineering， Tibet University， Lhasa 850000，China）

Abstract： Landslides triggered by earthquakes are a serious secondary disaster phenomenon. In order to study the influence of rainfall and seismic coupling on slope stability， a numerical model of slope stability was established by Geo-studio numerical simulation software， and the numerical simulation results were verified and analyzed by the stereographic projection analysis method， and the initial stress and stress distribution under permanent deformation and seismic action were directly obtained through numerical calculation， and the stability safety factor was calculated according to the seismic reaction analysis. The results show that with the increase of seismic intensity， the slope stability decreases， The stability evaluation index of the slope under the action of the earthquake is the permanent deformation and the stability safety factor. Finally， through the analysis of the dynamic stability of the slope， the deformation law of the slope and the change law of the safety factor are obtained.

Keywords： Mozhugongka landslide; seismic coupling; Geo-studio;akahira projection; stable slopes

0 引言

邊坡穩(wěn)定性不僅是巖土工程中的熱點(diǎn)問(wèn)題，而且與土建工程、水利、交通和礦山建設(shè)密切相關(guān)。通過(guò)對(duì)邊坡地震穩(wěn)定性的分析，結(jié)果表明，最小安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果與電弧減法計(jì)算結(jié)果較為接近，但與電弧還原法相比，最小安全系數(shù)是非圓凹凸現(xiàn)象。結(jié)果表明地震作用下邊坡穩(wěn)定性的增加引起臨界滑動(dòng)面的膨脹，影響邊坡的整體穩(wěn)定性。地震作用下邊坡的垂直運(yùn)動(dòng)引起邊坡的失穩(wěn)，滑動(dòng)方向的向上運(yùn)動(dòng)影響滑動(dòng)面的整體穩(wěn)定性。偽靜力法引入地震作用下邊坡穩(wěn)定性分析領(lǐng)域后，因其物理概念清晰、實(shí)用性和精確性得到了廣泛的應(yīng)用，在一定程度上滿足工程設(shè)計(jì)的要求。

本研究旨在模擬墨竹工卡邊坡的穩(wěn)定性，并對(duì)模擬本身進(jìn)行研究。在工程地質(zhì)調(diào)查和勘探的基礎(chǔ)上，了解研究區(qū)的構(gòu)造地質(zhì)和工程地質(zhì)情況，采用數(shù)值模擬方法計(jì)算分析各種邊坡類(lèi)型的應(yīng)力分布，分析變形破壞機(jī)理，指出潛在的危險(xiǎn)滑動(dòng)面，提出墨竹工卡邊坡災(zāi)害防治的工程管理方案。本研究通過(guò)查閱有關(guān)資料和文獻(xiàn)，對(duì)邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值模擬進(jìn)行了深入的分析和應(yīng)用。從邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬的現(xiàn)狀出發(fā)，對(duì)影響因素、數(shù)值模擬分析、處理方案和穩(wěn)定性研究進(jìn)行了探討，主要是為了促進(jìn)邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬的進(jìn)步和發(fā)展。邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬可為同類(lèi)問(wèn)題的進(jìn)一步研究提供實(shí)例和參考，具有一定的理論意義。通過(guò)對(duì)墨竹工卡坡穩(wěn)定性的大量試驗(yàn)，闡述評(píng)價(jià)墨竹工卡坡穩(wěn)定性、變異性在分析計(jì)算墨竹工卡坡穩(wěn)定性中的實(shí)際意義[1]。

1 地震作用下成層黏土邊坡穩(wěn)定性分析

1.1 工程概況的土性介紹

在這種情況下，對(duì)某一工程的邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬，并利用其在地震環(huán)境中的影響系數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。通過(guò)有限元分析，對(duì)地震后邊坡的實(shí)際情況進(jìn)行分析。在此情況下，土壤質(zhì)量和土壤質(zhì)量為后緣1 630～1 658 m，河前緣1 415 m左右，坡度長(zhǎng)215～243 m。兩側(cè)均為基巖淺灘，在碎屑剝蝕作用下形成了高山峽谷的地形。天然坡度一般在50°～70°之間，坡腳和溝壑多為松散的第四紀(jì)體覆蓋，不發(fā)育梯田。邊坡巖性以石英凝灰?guī)r為主，邊坡表面有局部拉伸變形，但找不出前剪力的出口。土壤是黏土，所以很穩(wěn)定。在這一地質(zhì)構(gòu)造模擬中，使用了以下數(shù)值，具體如表1所示。

考慮到黏土邊坡本身相對(duì)較強(qiáng)的穩(wěn)定性，數(shù)值模擬中不應(yīng)該設(shè)置太多的隨機(jī)變量，以保證土坡的整體結(jié)果與實(shí)際結(jié)果一致。

1.2 地震作用下建模

擬靜力法由于其運(yùn)算簡(jiǎn)單，在邊坡穩(wěn)定性分析中得到了廣泛的應(yīng)用，具體數(shù)值如表2所示。水平或垂直地震的力等于不斷的加速度。利用極限平衡理論，得到了光滑表面的安全系數(shù)。由于偽靜力方法是在理想的條件下進(jìn)行計(jì)算的，實(shí)際的邊坡不是剛性的，震源的大小和方向會(huì)發(fā)生變化，因此該方法不能準(zhǔn)確地反映邊坡的地震動(dòng)力響應(yīng)特性[2]。采用偽靜力傳遞系數(shù)法計(jì)算了暴雨和地震對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。作為類(lèi)比，給出了該地區(qū)地震的基本強(qiáng)度，水平地震系數(shù)為0.15。

計(jì)算的工況穩(wěn)定性系數(shù)，在天然狀態(tài)下為1.175，在地震狀態(tài)下為1.115，在暴雨?duì)顟B(tài)下為1.025。

1.3 在Geo-Studio軟件上進(jìn)行數(shù)值模擬

根據(jù)滑坡調(diào)查與防治工程的規(guī)定，自然條件下邊坡的穩(wěn)定系數(shù)大于1.15，屬于穩(wěn)定狀態(tài)，在地震條件下基本穩(wěn)定。連續(xù)暴雨時(shí)，邊坡穩(wěn)定性下降，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，為了給這一靜態(tài)環(huán)境創(chuàng)建一個(gè)視覺(jué)模型，并在視覺(jué)上將整個(gè)模型與整個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相匹配，為該模型創(chuàng)建了一個(gè)坐標(biāo)軸（表3），以建立連接，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，邊坡的穩(wěn)定性和變形特性基本一致。

1.4 本構(gòu)模型的選擇

計(jì)算邊坡動(dòng)力響應(yīng)的數(shù)值方法很多，如動(dòng)力有限元法、離散元法和有限差分法。本研究利用動(dòng)力有限元方法分析了邊坡在地震荷載作用下的加速度、位移和剪應(yīng)變的變化過(guò)程，并找到了對(duì)大型復(fù)雜邊坡研究具有重要意義的瞬時(shí)安全系數(shù)。

利用實(shí)測(cè)斷面建立動(dòng)力有限元模型。與所收集到的地震加速度近似曲線作了類(lèi)比：在往復(fù)振動(dòng)的地震波作用下，邊坡會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的瞬時(shí)變形。結(jié)果表明，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)小于1.0，但不能代表整個(gè)邊坡的穩(wěn)定性。根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變分析，地震對(duì)變形有一定的影響，但變形是穩(wěn)定的[3]。

1.5 赤平投影法驗(yàn)證分析

極射赤平投影法簡(jiǎn)稱(chēng)赤平投影（圖1），它主要是在赤平投影平面上反映出節(jié)理裂隙線、面以及邊坡，并利用相互間的角距關(guān)系、方位以及運(yùn)動(dòng)軌跡線來(lái)初步評(píng)判邊坡的穩(wěn)定性[4]。利用赤平投影法對(duì)墨竹工卡邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，有效判斷邊坡穩(wěn)定性。通過(guò)實(shí)地勘察，滑坡后緣高程5 359 m，前緣高程4 535 m，高差824 m，邊坡傾角43°。

因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)面傾向與邊坡傾向相對(duì)一致，傾角大于邊坡傾角，所以邊坡是較穩(wěn)定。

1.6 穩(wěn)定性分析

從廣義上講，有限元法被用來(lái)描述一個(gè)具有有限元法的實(shí)際系統(tǒng)。有限元模型（子域名）將溶液區(qū)域看作一系列的小元來(lái)得到近似解（子域名）連接節(jié)點(diǎn)上的分區(qū)的。由于子域可以劃分為不同的形狀和大小，該單元可以適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀、材料性質(zhì)和邊界條件。此外，它還得到了成熟的大規(guī)模軟件系統(tǒng)的支持，成為一種非常流行和廣泛使用的數(shù)值方法。有限元模型的數(shù)學(xué)抽象使實(shí)際系統(tǒng)更加理想。它由幾個(gè)簡(jiǎn)單的形狀元素組成，通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接來(lái)承擔(dān)一定的負(fù)荷。

地震對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的分析中較多采用擬靜力法來(lái)計(jì)算地震力。在條分法計(jì)算邊坡穩(wěn)定性時(shí)，一般采用下式計(jì)算土條重心處的水平地震力Fh。

[F?=Ci?Cz?K??Gi·ψ]? ? ?（1）

式中：Ci為重要性修正系數(shù)，Cz為綜合影響系數(shù)，ψ為水平地震作用沿高度增大系數(shù)，Kh為該地區(qū)的水平地震系數(shù)，Gi為第i條土條的自重。大量的震害現(xiàn)象表明水平方向的地震作用是引起邊坡破壞的主要原因，因此一般只須考慮順坡向的水平地震作用。豎向地震力是客觀存在的，特別是在震中區(qū)，豎向地震力是造成建筑物破壞的主要因素。

邊坡地震反應(yīng)分析是指邊坡在地震作用下的加速度、速度、位移和內(nèi)力。邊坡地震反應(yīng)分析比靜力分析復(fù)雜得多。它不僅與巖土動(dòng)力特性有關(guān)，而且與輸入振動(dòng)特性有關(guān)。然而，由于地面運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性，很難準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)。因此，巖石和土壤在實(shí)際地震作用下的動(dòng)力特性主要集中在周期荷載上，而巖石和土壤在實(shí)際地震作用下的動(dòng)力特性與應(yīng)力路徑密切相關(guān)[5]。

泥質(zhì)邊坡的地震反應(yīng)復(fù)雜。傳遞系數(shù)法假定邊坡是一個(gè)具有恒定準(zhǔn)靜力的絕對(duì)剛體，穩(wěn)定性系數(shù)是否小于1是判斷邊坡地震反應(yīng)的唯一標(biāo)準(zhǔn)。動(dòng)力有限元方法充分考慮了邊坡在地震作用下的動(dòng)力特性，能反映邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化，能反映邊坡的變形和應(yīng)力特性，對(duì)研究邊坡在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)具有重要意義。基于傳遞系數(shù)法和動(dòng)力有限元法的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查方法，分析了天然和地震條件下邊坡的整體穩(wěn)定性。在地震作用下，坡腳的最小主應(yīng)力通常是最容易變形和破壞的部分，而坡腳的最大位移則是由地震波的放大引起的。在地震波作用下，邊坡穩(wěn)定系數(shù)的變化規(guī)律與加速度時(shí)間曲線密切相關(guān)。由于地震波的往復(fù)振動(dòng)，邊坡的瞬時(shí)穩(wěn)定系數(shù)發(fā)生了較大的變化。地震后邊坡穩(wěn)定，但震中瞬態(tài)穩(wěn)定系數(shù)小于1。

從圖2、圖3可以看出，地震前邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.745，地震后邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.591，而且地震后邊坡土體的體積變小，究其原因，地震的作用使邊坡巖土的抗剪強(qiáng)度降低，邊坡趨于不穩(wěn)定狀態(tài)，最后導(dǎo)致邊坡發(fā)生滑移。

2 支護(hù)

2.1 支護(hù)方案的選擇

基礎(chǔ)支護(hù)的設(shè)計(jì)要求應(yīng)以結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求為主，能滿足兩個(gè)極限狀態(tài)的正常使用和承載力要求。極限狀態(tài)是指在不影響支承結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下支承結(jié)構(gòu)受變形影響的狀態(tài)。因此，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)在保證安全的前提下，在承載能力限度內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)支護(hù)不穩(wěn)定，不會(huì)影響周?chē)ㄖ锏陌踩褂谩８鶕?jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)際調(diào)查結(jié)果，選擇支護(hù)方案的原則是支護(hù)作用以攔水土為主要內(nèi)容，基坑外敷設(shè)的地下管線，并不復(fù)雜[5]。

2.2 支護(hù)作用下穩(wěn)定性分析

巖體結(jié)構(gòu)面邊坡的傾角決定了邊坡的穩(wěn)定性（斷層、節(jié)理、地層等）。在這種情況下，如果結(jié)構(gòu)的表面處于垂直活動(dòng)水平，就不存在簡(jiǎn)單的滑動(dòng)。邊坡的破壞包括整個(gè)巖體的破壞和沿某些結(jié)構(gòu)面的滑動(dòng)。另一方面，如果巖體由一個(gè)傾角在30°和70°之間的結(jié)構(gòu)組成，就會(huì)發(fā)生簡(jiǎn)單的滑動(dòng)。因此，影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素是結(jié)構(gòu)面的不同[6]。邊坡形狀對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在坡高、坡長(zhǎng)、坡角、平面形狀、剖面形狀和邊坡空曠度等方面。邊坡的類(lèi)型直接影響到邊坡的穩(wěn)定性。在不利形狀的邊坡頂部常發(fā)生拉應(yīng)力，造成頂部的拉應(yīng)力：坡腳處的強(qiáng)剪應(yīng)力和剪切破壞區(qū)，從而大大降低了邊坡的穩(wěn)定性。對(duì)邊坡而言，坡度越大，邊坡失穩(wěn)越容易，邊坡越慢，邊坡越穩(wěn)定，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性越不利[7-8]。

3 結(jié)語(yǔ)

邊坡安全系數(shù)隨地震的發(fā)生而變化。利用Geo-Studio數(shù)值模擬軟件建立了邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模型，使用赤平投影分析法對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析，得出滑坡在自然狀態(tài)下基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。在地震烈度固定的情況下，邊坡穩(wěn)定性隨烈度的增加而降低。在小強(qiáng)度地震條件下，當(dāng)?shù)卣鸪掷m(xù)時(shí)間較短時(shí)，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)基本不變。當(dāng)?shù)卣鹪诠拯c(diǎn)后繼續(xù)發(fā)生時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)將急劇下降，直至破壞。實(shí)際墨竹工卡邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜，推覆構(gòu)造、滑覆構(gòu)造發(fā)育，新構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈。應(yīng)加強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)，在滑坡源頭、搜救現(xiàn)場(chǎng)設(shè)立警戒標(biāo)志，如有條件，在危險(xiǎn)邊坡位置安裝實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器。高度重視全面排查居民區(qū)，落實(shí)防災(zāi)預(yù)案和責(zé)任制，嚴(yán)防地質(zhì)災(zāi)害造成的損失。

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