殷俊文

(五寨縣水利局，山西 五寨 036200)

0 引 言

地震是一種較為頻發(fā)的地質(zhì)現(xiàn)象，在地震過(guò)程中，釋放大量的能量，將誘發(fā)大量、大規(guī)模的地質(zhì)災(zāi)害。地震誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害與一般情況相比，具有運(yùn)動(dòng)距離遠(yuǎn)、規(guī)模大、數(shù)量多、破壞性強(qiáng)等特點(diǎn)。因此，需要重視對(duì)地震誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的研究。邊坡工程是工程建設(shè)過(guò)程中經(jīng)常遇到的問(wèn)題，人類(lèi)工程活動(dòng)擾動(dòng)下，邊坡巖土體出現(xiàn)了應(yīng)力充分部現(xiàn)象，可能造成邊坡穩(wěn)定性降低等結(jié)果。在考慮地震影響下，分析邊坡穩(wěn)定性情況具有十分重要的研究意義。目前，已有較多的專(zhuān)家學(xué)者，對(duì)地震作用下邊坡穩(wěn)定性情況進(jìn)行了研究。在邊坡動(dòng)力穩(wěn)定性研究中常用的方法包括：數(shù)值模擬、物理模型試驗(yàn)等。通過(guò)多種方法，可對(duì)地震作用下，邊坡的力學(xué)響應(yīng)和變形機(jī)理進(jìn)行再現(xiàn)模擬，對(duì)獲取邊坡變形本質(zhì)具有良好的效果[1-2]。

與物理模型試驗(yàn)相比，采用數(shù)值模擬方法具有建模簡(jiǎn)單、計(jì)算速度快、費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)，結(jié)合計(jì)算機(jī)，可在較短時(shí)間內(nèi)完成多組試驗(yàn)，從而分析不同坡體結(jié)構(gòu)、動(dòng)力特性對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。目前，在邊坡動(dòng)力研究中，通常采用強(qiáng)度折減法、地震超載法進(jìn)行分析，結(jié)合某工程實(shí)例，采用強(qiáng)度折減法、地震超載法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

1 計(jì)算理論與方法

1.1 強(qiáng)度折減法

強(qiáng)度折減法的計(jì)算原理較為簡(jiǎn)單，在保持地震荷載不變的情況下，對(duì)邊坡的抗剪強(qiáng)度參數(shù)(內(nèi)聚力c、內(nèi)摩擦角φ)等按照一定的關(guān)系進(jìn)行折減，利用折減后的抗剪強(qiáng)度參數(shù)(c1、φ1)，對(duì)邊坡進(jìn)行動(dòng)力穩(wěn)定性分析。采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行抗剪強(qiáng)度參數(shù)折減的方法如下：

(1)

式中：F為動(dòng)力安全系數(shù)，表示邊坡達(dá)到臨界失穩(wěn)時(shí)，抗剪強(qiáng)度參數(shù)的折減程度。

1.2 超載系數(shù)法

超載系數(shù)法是另一種常用的計(jì)算方法，與強(qiáng)度折減法不同的是，超載系數(shù)法不改變邊坡巖土體的強(qiáng)度參數(shù)，通過(guò)改變地震荷載的大小，使得邊坡在地震動(dòng)荷載影響下失穩(wěn)破壞，此時(shí)，地震超載系數(shù)即為安全系數(shù)，采用下式計(jì)算：

d=K×a

(2)

式中：K為超載系數(shù)；a和d分別為邊坡設(shè)防地震峰值加速度和邊坡臨界破壞時(shí)的地震峰值加速度。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 工程概況

某工程邊坡主要是為了保證工程建設(shè)而形成，邊坡開(kāi)挖后形成的永久性邊坡高度約為68.0m。邊坡巖體主要為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化千枚巖，邊坡采用分級(jí)開(kāi)挖的方式進(jìn)行開(kāi)挖，邊坡共分為6級(jí)邊坡，從下至上每級(jí)邊坡高度分別為10.0m、10.0m、10.0m、10.0m、10.0m、8.0m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查以及監(jiān)測(cè)資料，邊坡現(xiàn)狀整體穩(wěn)定性較好，但淺表層易出現(xiàn)滑動(dòng)破壞現(xiàn)象。邊坡工程剖面見(jiàn)圖1。

圖1 邊坡工程地質(zhì)剖面圖

2.2 邊坡有限元模型的建立

邊坡穩(wěn)定性分析采用FLAC軟件，該軟件在邊坡數(shù)值模擬分析中極為常用。采用有限元數(shù)值模擬方法對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性研究時(shí)，需要確定合理的邊界條件，方可保證計(jì)算結(jié)果與原型較為接近。為了充分考慮邊坡的影響范圍，設(shè)計(jì)模型總高度為136m，坡腳距離模型左、右邊界距離為100m、180m。建立的FLAC數(shù)值模擬模型如圖2所示。

數(shù)值模擬計(jì)算分析采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，在模型底部選用等效一致黏彈性邊界條件，這主要是考慮到，建筑邊坡場(chǎng)地距離斷裂帶距離較遠(yuǎn)，采用該模型邊界可反映遠(yuǎn)域地基輻射阻尼對(duì)地震波的影響，地震波輸入?yún)^(qū)域?yàn)槟Ｐ偷撞?，采用有限元?jì)算，模型材料計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖體材料物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB35047-2015)，采用規(guī)范反應(yīng)譜作為地震波參數(shù)，阻尼比5%、動(dòng)力放大系數(shù)為2.5，水平、豎向峰值加速度分別為0.2g、0.133g，地震波影響總時(shí)長(zhǎng)為20s，地震加速度時(shí)程曲線見(jiàn)圖2。

(a)人造波1水平向 (b)人造波1豎直向

3 不同方法數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 強(qiáng)度折減法數(shù)值模擬結(jié)果

采用強(qiáng)度折減法數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3中可知在F=1.3、F=1.6、F=1.85、F=1.88等條件下的塑性區(qū)分布情況，隨著安全系數(shù)F不斷增大，塑性區(qū)分布范圍不斷增大，當(dāng)F=1.3時(shí)，塑性區(qū)僅在坡體中部分布，當(dāng)F增大至1.90時(shí)，在坡體內(nèi)部形成了較為貫通的塑性區(qū)。塑性區(qū)主要分布于全風(fēng)化千枚巖、強(qiáng)風(fēng)化千枚巖區(qū)域，巖土體強(qiáng)度參數(shù)對(duì)邊坡動(dòng)力穩(wěn)定性影響較大。

圖3 強(qiáng)度折減法塑性區(qū)分布圖

3.2 地震超載法數(shù)值模擬結(jié)果

采用超載法數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。

從圖4中可知在K=2.0、K=2.5、K=3.0、K=3.35等條件下的塑性區(qū)分布情況，隨著K值不斷增大，塑性區(qū)分布范圍不斷增大，采用地震超載法計(jì)算時(shí)，塑性區(qū)表現(xiàn)為從坡腳、坡體內(nèi)部軟弱區(qū)向周?chē)鷶U(kuò)展、貫通的發(fā)展趨勢(shì)。塑性區(qū)分布范圍與強(qiáng)度折減法計(jì)算結(jié)果一致。

圖4 地震超載法塑性區(qū)分布圖

采用強(qiáng)度折減法、地震超載法進(jìn)行邊坡動(dòng)力穩(wěn)定性分析時(shí)，邊坡穩(wěn)定性隨著F、K值的增大，塑性區(qū)范圍也不斷增大，塑性區(qū)擴(kuò)展主要從坡腳、坡體內(nèi)部全風(fēng)化千枚巖處開(kāi)始，向周邊發(fā)展、擴(kuò)大，與強(qiáng)度折減法相比，采用地震超載法計(jì)算時(shí)，塑性區(qū)范圍更大。

4 結(jié) 論

1)采用貫通性的塑性破壞區(qū)作為邊坡動(dòng)力失穩(wěn)的判斷準(zhǔn)則，選取了強(qiáng)度折減法和地震超載法兩種方法進(jìn)行研究，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得知，采用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡動(dòng)力安全系數(shù)為1.90；采用地震超載法計(jì)算邊坡安全系數(shù)為3.35。

2)當(dāng)強(qiáng)度折減法和地震超載法均達(dá)到貫通的塑性破壞時(shí)，地震超載法的變形破壞范圍要大于強(qiáng)度折減法的范圍。