降雨前后高路塹邊坡動(dòng)力穩(wěn)定性分析

【摘 要】通過Flac3D軟件編寫程序建立非飽和邊坡滲流模型，根據(jù)西南地區(qū)氣候條件，選取150 mm/d降雨量連續(xù)降雨3 d，進(jìn)一步輸入震級(jí)為0.1～0.4g的EL地震波，分別對(duì)降雨前后邊坡在地震作用下的動(dòng)力穩(wěn)定性進(jìn)行研究。結(jié)果表明：（1）同一高度位置，邊坡水平位移隨著地震震級(jí)增加而變大，破壞更加嚴(yán)重（2）隨著震級(jí)增加，降雨前后邊坡動(dòng)力穩(wěn)定安全系數(shù)均逐步降低；（3）降雨對(duì)邊坡在低震級(jí)作用下的穩(wěn)定安全系數(shù)影響較小，對(duì)高震級(jí)下的穩(wěn)定安全系數(shù)影響更為顯著。

【關(guān)鍵詞】動(dòng)力穩(wěn)定性分析； "降雨地震； "路塹邊坡； Flac3D

【中圖分類號(hào)】TU435【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

0 引言

眾所周知，影響邊坡穩(wěn)定性的因素有很多，其中地震和降雨是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的主要原因。

目前，許多學(xué)者對(duì)邊坡在降雨和地震耦合作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。文杰［1］基于FLAC3D進(jìn)行了地震作用、降雨作用、地震與降雨共同作用下的黃土滑坡形成機(jī)理分析。龔文俊等［2］以甘肅省西和縣西山號(hào)滑坡為例，基于Geo-Studio軟件分析了不同降雨強(qiáng)度后地震作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。王蘭民等［3］開展了地震和降雨共同作用下的天然狀態(tài)和降雨100 mm的兩種工況下的黃土邊坡振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，分析了降雨前后兩類邊坡的滲流場特征、動(dòng)力響應(yīng)和變形特征。

鑒于此，本文以某實(shí)際高路塹邊坡工程為背景，通過分析其位移、剪應(yīng)變?cè)隽恳约皠?dòng)力安全系數(shù)等多方面數(shù)據(jù)對(duì)降雨前后邊坡在地震作用下的動(dòng)力穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

1 研究方法和理論

1.1 降雨滲流理論

Flac3D軟件采用達(dá)西滲透定律來表征流體在固體顆粒間的流動(dòng)準(zhǔn)則見式（1）。

qi=-kil（s）［p-ρfxjgj］l（1）

式中：qi為指定方向上的滲流速度（m/s）；kil為飽和滲透系數(shù)張量［m2/（Pa/s）］；（s）為相對(duì)介質(zhì)滲透率，（s）=s2（3-2s）（0≤（s）≤1），s為飽和度；p為孔隙水壓力；ρf為流體密度；gi為重力加速度的三個(gè)分量；（p-ρfxjgj）為水力梯度。

Flac3D軟件在進(jìn)行滲流計(jì)算時(shí)，默認(rèn)為飽和滲流，即飽和度等于1，可通過設(shè)置流體抗拉強(qiáng)度使得負(fù)孔隙水壓存在，也就是說，非飽和滲流是通過有限差分迭代節(jié)點(diǎn)孔隙水壓力來進(jìn)行流固耦合計(jì)算，即式（2）。

1Mpt=ζt-αεt（2）

非飽和滲流情況下，若想設(shè)置飽和度不為1，F(xiàn)LAC3D會(huì)強(qiáng)制節(jié)點(diǎn)孔隙水壓為0?？赏ㄟ^土-水特征曲線反算出節(jié)點(diǎn)孔隙水壓，此時(shí)FLAC3D是通過有限差分迭代節(jié)點(diǎn)飽和度來進(jìn)行非飽和滲流計(jì)算的，反算出的節(jié)點(diǎn)孔隙水壓并未影響這一時(shí)刻的內(nèi)部滲流計(jì)算，即式（3）

nsst=1sζt-αεt（3）

飽和滲流可以看作是飽和度為1的非飽和滲流，即飽和滲流為非飽和滲流的特殊情況［4］。

1.2 動(dòng)力強(qiáng)度折減法

動(dòng)力強(qiáng)度折減法固定地震荷載不變，把邊坡自然狀態(tài)抗剪強(qiáng)度參數(shù)（c、φ）進(jìn)行k倍折減，采用折減后的邊坡抗剪強(qiáng)度參數(shù)（c1、φ1）進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析［5］。

計(jì)算公式見式（4）。

c1=c/k

tanφ1=tanφ/k（4）

定義邊坡達(dá)到動(dòng)力臨界失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)k為邊坡動(dòng)力安全性系數(shù)。

2 工程概況

本文選取西南某高陡非均質(zhì)路塹邊坡作為研究對(duì)象，其基本土層參數(shù)如表1所示。

3 數(shù)值分析

3.1 模型建立

采用Flac3D有限插分軟件建立邊坡模型，邊坡坡度為31°，總長為208 m，整體高度為88 m。邊坡每級(jí)臺(tái)階寬度為3 m，每級(jí)邊坡高度設(shè)置為8 m。模型中巖土體假定為理想彈塑性材料，選用摩爾-庫倫模型，并設(shè)置三個(gè)關(guān)鍵位移監(jiān)測點(diǎn)D1、D2、D3，邊坡整體模型尺寸如圖1所示［6］。

模型的邊界條件為上邊界設(shè)置為自由邊界，下邊界固定x、y、z方向的位移，并固定左右邊界的x向位移，固定縱向邊界的y向位移。

3.2 模擬工況

實(shí)際工程中降雨與地震相繼發(fā)生的概率相對(duì)較小，通過西南地區(qū)氣候條件以及所處地震帶，本文選取150 mm/d降雨量連續(xù)降雨3 d，降雨后邊坡土層飽和度如圖2所示。進(jìn)一步選用峰值加速度為0.1g、0.2g、0.3g、0.4g這4個(gè)震級(jí)對(duì)邊坡降雨前后的抗震穩(wěn)定性進(jìn)行研究。如圖3所示，采用1951年美國加州El-Centro地震波進(jìn)行水平向加載，因其與實(shí)際地震波更為接近，模擬的結(jié)果更加符合現(xiàn)實(shí)情況。

4 結(jié)果分析

4.1 邊坡最大水平位移

隨著震級(jí)增大，降雨前后邊坡水平位移最大值與水平位移面積均增大，且發(fā)生在靠近坡頂位置。當(dāng)震級(jí)達(dá)到0.4g時(shí)，基巖以上近一半的土體水平位移達(dá)到了4 cm，局部破壞嚴(yán)重，如圖4、圖5所示。同一震級(jí)下，邊坡在降雨后水平位移加大，如圖6所示。

4.2 邊坡最大剪切應(yīng)變?cè)隽?/p>

低震級(jí)下，坡體中部出現(xiàn)了一小塊弧形條帶。隨著震級(jí)的增大，坡體內(nèi)最大剪應(yīng)變?cè)隽恐饾u增大，弧形條帶逐漸向坡角和坡頂延伸，有貫通的趨勢，如圖7所示。0.4g震級(jí)下，邊坡在降雨后最大剪應(yīng)變?cè)隽糠植挤秶鼜V，整體破壞更嚴(yán)重，如圖8所示。

4.3 邊坡動(dòng)力安全系數(shù)

本文選取0.1g、0.2g、0.4g這三個(gè)震級(jí)進(jìn)行動(dòng)力穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算，采用動(dòng)力強(qiáng)度折減法。如圖9所示，根據(jù)關(guān)鍵點(diǎn)D1、D2、D3位移突變判據(jù)可知降雨后邊坡在0.1g地震下的動(dòng)力安全系數(shù)為1.27，同理可求得其他工況下動(dòng)力穩(wěn)定安全系數(shù)的值，如表2所示。

如圖10所示，整體上邊坡動(dòng)力安全系數(shù)隨著震級(jí)的增大而逐漸下降。對(duì)比邊坡在降雨前后三個(gè)震級(jí)下的動(dòng)力安全系數(shù)可知，較低震級(jí)下降雨對(duì)邊坡抗震穩(wěn)定性影響不大，

5 結(jié)論

本文基于Flac3D軟件，建立高路塹邊坡模型，分別對(duì)降雨前后邊坡在地震作用下的工況進(jìn)行數(shù)值模擬，得出結(jié)論：

（1）同一高度位置，邊坡水平位移隨著地震震級(jí)增加而變大，破壞更加嚴(yán)重。

（2）隨著震級(jí)增加，降雨前后邊坡動(dòng)力穩(wěn)定安全系數(shù)均逐步降低。

（3）降雨對(duì)邊坡在低震級(jí)作用下的穩(wěn)定安全系數(shù)影響較小，對(duì)高震級(jí)下的穩(wěn)定安全系數(shù)影響更為顯著。

參考文獻(xiàn)

［1］ 文杰. 地震與降雨作用下黃土滑坡形成機(jī)理分析［D］.北京：中國地質(zhì)大學(xué)（北京），2016.

［2］ 龔文俊，李明永，吳志堅(jiān).降雨和地震耦合作用對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響——以甘肅西和Ⅲ號(hào)滑坡為例［J］.西北地震學(xué)報(bào)，2012，34（2）：161-166.

［3］ 王蘭民，蒲小武，吳志堅(jiān)，等.地震和降雨耦合作用下黃土邊坡動(dòng)力響應(yīng)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2018，40（7）：1287-1293.

［4］ 蔣中明，熊小虎，曾鈴.基于FLAC～（3D）平臺(tái)的邊坡非飽和降雨入滲分析［J］.巖土力學(xué)，2014，35（3）：855-861.

［5］ 鄭穎人，趙尚毅.有限元強(qiáng)度折減法在土坡與巖坡中的應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004（19）：3381-3388.

［6］ 徐芝綸. 彈性力學(xué)［M］. 北京：高等教育出版社

［7］ 袁中夏，李德鵬，葉帥華.地震和降雨條件下黃土高填方邊坡穩(wěn)定性分析［J］.蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，48（4）：119-125.

［作者簡介］彭梓騫（1998—），男，碩士，研究方向?yàn)槁坊こ膛c巖土工程。