張自標(biāo)，陳欽宗

(江西省贛南公路勘察設(shè)計(jì)院，江西 贛州 341000)

?

地震作用下滑坡工程穩(wěn)定性分析方法研究

張自標(biāo)，陳欽宗

(江西省贛南公路勘察設(shè)計(jì)院，江西 贛州 341000)

根據(jù) “小震不壞，中震可修，大震不倒”的安全要求，提出采用Newmark法、擬靜力法、靜力有限元法、動(dòng)力有限元法進(jìn)行滑坡工程地震作用下的穩(wěn)定性分析。根據(jù)得出的最小安全系數(shù)、安全系數(shù)時(shí)程曲線和永久位移等結(jié)果，進(jìn)行綜合判斷，可以避免由于僅采用某一種分析方法而可能帶來的片面分析，對(duì)于工程實(shí)例地震作用下的穩(wěn)定性分析有一定的指導(dǎo)意義和實(shí)際意義。

地震作用；滑坡工程；安全系數(shù)；永久位移

0 引 言

近些年，地震災(zāi)害頻發(fā)，在一定程度上促使山區(qū)的欠穩(wěn)定山體發(fā)生擾動(dòng)，進(jìn)而誘發(fā)滑坡、滑動(dòng)等次生災(zāi)害，成為震后主要地質(zhì)災(zāi)害之一。滑坡帶邊坡工程穩(wěn)定性及安全性研究，已經(jīng)成為現(xiàn)階段工程技術(shù)人員關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

辛順超等人結(jié)合2013年四川雅安地震作用下成雅高速公路高邊坡路基，采用數(shù)值模擬法等技術(shù)，揭示了震后邊坡破壞機(jī)理，建立了地震作用下邊坡穩(wěn)定性靜力分析法和動(dòng)力分析法[1]；陳啟國等人利用Newmark方法，對(duì)在2008年汶川地震作用下采集的滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行變形及位移計(jì)算分析，建立了邊坡失穩(wěn)概率與Newmark位移之間的關(guān)系[2]；鄧學(xué)晶等人對(duì)多個(gè)地震作用下的永久位移進(jìn)行了計(jì)算分析，得出了地震作用下永久位移的簡化計(jì)算公式[3]。

本文結(jié)合實(shí)際工程，基于Newmark法、擬靜力法、靜力有限元法和動(dòng)力有限元法，分別對(duì)三種地震作用下的滑坡穩(wěn)定性、最小安全系數(shù)和永久位移進(jìn)行計(jì)算分析[4-8]，驗(yàn)證了滑坡體的安全穩(wěn)定性，為地震作用后滑坡體發(fā)展預(yù)測及編圖，以及地震應(yīng)急及災(zāi)后重建提供有力的科學(xué)依據(jù)。

1 地震作用下滑坡工程穩(wěn)定性分析方法

現(xiàn)階段，學(xué)者用安全系數(shù)和永久位移這兩個(gè)量來評(píng)價(jià)地震作用下滑坡工程的穩(wěn)定性。本文提出采用Newmark法、擬靜力法、靜力有限元法、動(dòng)力有限元法，從安全系數(shù)和永久位移這兩方面進(jìn)行分析。由于篇幅有限，本文僅介紹Newmark法及動(dòng)力有限元法的計(jì)算原理。

Newmark[9-10]認(rèn)為：滑坡體處于加載臨界狀態(tài)時(shí)，瞬間安全系數(shù)小于1，當(dāng)滑坡體發(fā)生剛性滑動(dòng)時(shí)，形成瞬間滑坡位移；在地震作用過程中產(chǎn)生的這種瞬間荷載作用在滑坡體上，產(chǎn)生的位移為瞬間位移；將各個(gè)瞬間的位移進(jìn)行累加后得到地震作用下滑坡體位移總量。假定：滑坡體產(chǎn)生臨界滑動(dòng)時(shí)的安全系數(shù)為1，作用在滑動(dòng)體上的水平向地震加速度為ay，且為滑動(dòng)體的屈服地震加速度。運(yùn)用數(shù)學(xué)微積分方法對(duì)地震加速度時(shí)程曲線進(jìn)行分析，對(duì)超過滑動(dòng)體屈服地震加速度積分一次，得到滑動(dòng)體的滑動(dòng)速度，積分兩次后得到滑動(dòng)體的地震滑動(dòng)位移量，如圖1所示。

在地震反應(yīng)分析中，視土體為粘彈性體，其動(dòng)力平衡方程如下

在坡體受到地震作用力時(shí)，在動(dòng)力效應(yīng)作用下坡體單元體的單元剪應(yīng)變具有隨機(jī)變化性，其值不確定，無法與初始假設(shè)的剪應(yīng)變相比較。為解決此問題，通常在分析動(dòng)力響應(yīng)過程前先假定Yeq為一等價(jià)剪應(yīng)變值，用于代替這一變化過程中值的變化情況。經(jīng)過試驗(yàn)，Seed等人提出：Yeq=0.65Ymax，Ymax為單元剪應(yīng)變時(shí)程中的最大應(yīng)變值。

對(duì)滑坡體進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，運(yùn)用動(dòng)力響應(yīng)分析方法，計(jì)算得到每個(gè)劃分單元體在各個(gè)時(shí)刻的總應(yīng)力σx，σy，σxy。單元體i的滑弧長度為li，單元體的剪應(yīng)力為τi，抗剪強(qiáng)度為τfi，則整個(gè)滑弧的抗滑安全系數(shù)為

(3)

(4)

(5)

式中：θ為x軸正方向與法向應(yīng)力之間的夾角。

根據(jù)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的要求，計(jì)算采用的地震波為El Centro波、Taft波和一組人工波，調(diào)整加速度峰值分別為0.067g、0.2g和0.4g，對(duì)應(yīng)該場地50年超越概率分別為63%、10%和2 %的地震強(qiáng)度。

2 工程地質(zhì)概況

該滑坡工程位于西南山區(qū)高烈度地震區(qū)某高速公路影響范圍內(nèi)，滑坡體地勢為坡向向西，東高西低，且坡體巖層傾向與斜坡坡向相反。通過地質(zhì)勘探技術(shù)得知，滑坡體斜坡地帶為低液限粘土、塊石土。由現(xiàn)場地形可知，該土層由殘坡積或滑坡堆積形成。斜坡南西面為沖積洪積扇區(qū)，地形相對(duì)平坦、開闊，坡體高差為25 m；地表覆土主要為松散-中密的塊石土，含礫低液限粘土，其承載力較低，且呈軟塑-硬塑狀，屬軟弱場地?；鹿こ谭€(wěn)定性分析計(jì)算模型如圖2所示，滑坡體各土層物理力學(xué)指標(biāo)、土動(dòng)力特性見表1、2。

表1 滑坡巖土體參數(shù)

土層容重ρ/(kN·m-3)彈性模量E/MPa泊松比v阻尼比ξ粘聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)122．0800．300．152123222．01200．250．104018321．51000．300．102925424．9200000．200．0510050

3 計(jì)算結(jié)果與分析

利用軟件建模，分4種工況對(duì)滑坡體進(jìn)行分析。從4種計(jì)算分析方法的結(jié)果(圖3、4與表3、4)來看，該滑坡在不受地震作用情況下是穩(wěn)定的，其安全系數(shù)達(dá)1.438。在小震時(shí)，滑坡的安全系數(shù)平均值為1.310，永久位移均為0，說明無論是從安全系數(shù)或是永久位移的角度分析，該滑坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)；在中震情況下，安全系數(shù)平均值為1.108，且出現(xiàn)了極小的永久位移，可以認(rèn)為在中震時(shí)，該滑坡處于極限平衡狀態(tài)；而在大震時(shí)，安全系數(shù)平均值為0.901，永久位移已達(dá)較大數(shù)量級(jí)，平均值為22.833 mm，可以認(rèn)為該滑坡大震時(shí)出現(xiàn)失穩(wěn)的可能性極大，需根據(jù)滑坡本身特征采取相應(yīng)抗震措施。

表2 土層動(dòng)剪切模量比(G/Gmax)、阻尼比ξ與剪應(yīng)變的關(guān)系

表4 永久位移統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 語

本文首先采用靜力有限元法進(jìn)行無地震作用時(shí)滑坡的穩(wěn)定性分析；其次采用擬靜力法進(jìn)行穩(wěn)定性分析，該法滿足了現(xiàn)有規(guī)范的計(jì)算模式要求，能夠應(yīng)用于實(shí)際具體工程的穩(wěn)定性分析；再次，采用動(dòng)力有限元法模擬了地震動(dòng)對(duì)滑坡土體的動(dòng)力響應(yīng)，能夠很直觀地反應(yīng)出整個(gè)地震過程中安全系數(shù)的變化及最低安全系數(shù)；最后，采用Newmark法計(jì)算得出了在地震作用下滑坡的永久位移，進(jìn)一步用于判定地震作用下滑坡體的穩(wěn)定性。

由于地震對(duì)土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的響應(yīng)是非常復(fù)雜的，它包括在邊坡中引起的加速度、速度、位移和內(nèi)力等。若僅采用某一種方法進(jìn)行穩(wěn)定性分析，有可能因該法判斷指標(biāo)的單一性、局限性而導(dǎo)致對(duì)工程的誤判。本文采用Newmark法、擬靜力法、靜力有限元法、動(dòng)力有限元法4種方法，分析了影響地震作用下滑坡工程穩(wěn)定性的多種因素。在實(shí)際工程中需綜合考慮安全系數(shù)時(shí)程曲線、永久位移和最小安全系數(shù)等判定因素。本文所得的分析結(jié)果具有一定的工程實(shí)用價(jià)值和參考意義。

[1] 辛順超，韓道均，唐樹名.地震荷載下高填方邊坡破壞機(jī)理與穩(wěn)定性分析[J].公路交通技術(shù)，2014(1):19-23.

[2] 陳啟國，葛 華，周洪福.利用Newmark方法進(jìn)行地震滑坡制圖——以映秀研究區(qū)為例[J].中國煤炭地質(zhì)，2011，23(11):44-48.

[3] 鄧學(xué)晶，孔憲京，杜永峰，等.基于Newmark滑塊系統(tǒng)能量分析的地震永久位移計(jì)算方法[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，36(5):104-107.

[4] 徐光興，姚令侃，李朝紅.地震作用下土質(zhì)邊坡永久位移分析的能量方法[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)：工程科學(xué)版，2010,36(5):285-291.

[5] 李紅軍，遲世春，鐘 紅，等.考慮時(shí)程豎向加速度的Newmark滑塊位移法[J].巖土力學(xué)，2007,28(11):2385-2390.

[6] 陳林杰，鄭曉衛(wèi).基于有限元強(qiáng)度折減法的地震區(qū)三維邊坡穩(wěn)定性分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，32(3):415-418.

[7] 梁義聰，肖啟華，聶 影，等.基于擬靜力法的邊坡地震穩(wěn)定性分析[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，31(1):33-37.

[8] 江德軍，楊 杰，喬 蓓，等.地震作用下土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析方法適用性分析[J].水電能源科學(xué)，2013,31(12):113-116.

[9] 徐光興，姚令侃，李朝紅，等.基于汶川地震強(qiáng)震動(dòng)記錄的邊坡永久位移預(yù)測模型[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34(6):1131-1136.

[10] 盧坤林，朱大勇，朱亞林，等.三維邊坡地震永久位移初探[J].巖土力學(xué)，2011，32(5):1425-1429.

[責(zé)任編輯:王玉玲]

Stability Analysis of Slopes Under Earthquake Action

ZHANG Zi-biao, CHEN Qin-zong

(Jiangxi Provincial Gannan Highway Survey and Designing Institue, Ganzhou 341000, Jiangxi, China)

According to the criterion, it was put forward that landslide engineering under earthquake effect could be calculated using Newmark method, pseudo-static method, static finite element method and dynamic finite element method, by sticking to the safety requirements that the designed structures must resist against minor earthquake without any damage, moderate earthquake with repairable structural damage and stand against strong earthquake. According to the calculation results of the minimum safety coefficient, safety coefficient time-history curve and permanent displacement, comprehensive judgment can be made and the one-sided analysis would be avoided, which has significance for stability analysis of engineering examples under earthquake effect.

earthquake action; landslide engineering; safety coefficient; permanent displacement

1000-033X(2015)04-0048-03

2014-10-20

U416.2

B