地震作用下的邊坡穩(wěn)定性分析

李燦陽

（廣州市南沙區(qū)磨碟頭工程管理所，廣州510000）

每年由地震引起的滑坡對(duì)我國國民經(jīng)濟(jì)和人身安全造成巨大損害。因此，研究邊坡在地震下的穩(wěn)定性問題具有重要意義。目前，把巖土看成理想塑性的Mohr-Coulomb材料， 使用強(qiáng)度折減法或地震超載法對(duì)邊坡進(jìn)行有限元分析是目前最為常見的兩種邊坡動(dòng)力穩(wěn)定性分析方法。 強(qiáng)度折減法假定地震荷載不變，改變邊坡強(qiáng)度以搜索邊坡臨界強(qiáng)度，邊坡現(xiàn)狀強(qiáng)度和臨界強(qiáng)度相比來衡量邊坡的強(qiáng)度儲(chǔ)備程度，鄭穎人［1］、葉 海林［2］、戴妙林［3］等 采用強(qiáng)度 折 減 法 對(duì) 邊坡的動(dòng)力穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究。 地震超載法不改變邊坡現(xiàn)有強(qiáng)度， 通過改變地震荷載以搜索結(jié)構(gòu)破壞面及其對(duì)應(yīng)的臨界荷載， 將臨界荷載與標(biāo)準(zhǔn)荷載之比定義為臨界動(dòng)力超載倍數(shù)， 以此判斷結(jié)構(gòu)安全性能，孫進(jìn)忠［4］、胡克梅［5］等采 用了地 震超載法對(duì)邊坡的動(dòng)力穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究。 強(qiáng)度折減法計(jì)算結(jié)果可稱為邊坡強(qiáng)度儲(chǔ)備穩(wěn)定性， 地震超載法計(jì)算結(jié)果可稱為邊坡動(dòng)力超載穩(wěn)定性。 本文以國內(nèi)某水利工程中的右岸邊坡為研究對(duì)象， 以塑性區(qū)貫通為失穩(wěn)判別標(biāo)準(zhǔn)［4，6］，分別采用強(qiáng)度折減法和地震超載法對(duì)邊坡的動(dòng)力穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

1 計(jì)算理論與方法

1.1 強(qiáng)度折減法

強(qiáng)度折減法假定地震荷載不變， 把邊坡現(xiàn)狀抗剪強(qiáng)度參數(shù)（c，φ）等比例折減k倍，然后用折減之后的邊坡抗剪強(qiáng)度參數(shù)（c1，φ1）進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，計(jì)算公式如下：定義使邊坡達(dá)到臨界動(dòng)力失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)對(duì)邊坡抗剪強(qiáng)度參數(shù)的折減程度F為動(dòng)力安全系數(shù)。

1.2 超載系數(shù)法

動(dòng)力超載系數(shù)法不改變巖土材料參數(shù)， 對(duì)地震荷載不斷地進(jìn)行加載，直到邊坡臨界失穩(wěn)，定義此時(shí)的地震荷載超載系數(shù)即為邊坡的動(dòng)力安全系數(shù)。 計(jì)算公式如下：

a′=K·a

式中 K為超載系數(shù)；a和a′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

某水利工程壩址區(qū)右岸邊坡永久性坡高68m左右，開挖前平均坡腳27°，開挖后坡腳為38.7°，開挖后分設(shè)5級(jí)馬道。 邊坡巖體主要為千枚巖，由表及里共分全夾強(qiáng)風(fēng)化帶、強(qiáng)風(fēng)化帶及弱風(fēng)化帶3個(gè)分帶。 經(jīng)監(jiān)測(cè)資料分析，此邊坡穩(wěn)定性不高，淺表層巖體易發(fā)生滑動(dòng)。 此邊坡工程地質(zhì)剖面示意圖如圖1。

圖1 邊坡工程地質(zhì)剖面示意圖

2.2 邊坡有限元模型的建立

合理的有限元邊界范圍設(shè)定會(huì)使仿真結(jié)果與工程實(shí)際結(jié)果更為接近， 本文依據(jù)鄭穎人的研究成果［7］，建立邊坡有限元模型如圖2：坡高H=68m，坡腳至左邊界距離、坡頂至右邊界距離、上下邊界距離分別取為坡高H的1.5倍、2.5倍、2倍，即分別為103，171，136m。

圖2 邊坡有限元模型

邊坡采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則， 底部及四周設(shè)置等效一致黏彈性邊界［8］，以真實(shí)反映遠(yuǎn)域地基輻射阻尼對(duì)地震波的影響，地震波從底部輸入。巖土體具體參數(shù)如表1。

表1 巖體材料物理力學(xué)參數(shù)

本文基于規(guī)范反應(yīng)譜［9］以阻尼比5%，動(dòng)力放大系數(shù)βmax=2.5合成一組水平向峰值加速度為0.2g和豎向峰值加速度為0.133g人造地震波。人造波持時(shí)20s，計(jì)算步數(shù)為2000，步長(zhǎng)0.01s，如圖3。

圖3 地震加速度時(shí)程曲線

3 仿真結(jié)果分析

3.1 強(qiáng)度折減法仿真結(jié)果

折減系數(shù)從1.3～1.88時(shí)的邊坡塑性區(qū)分布如圖4。

圖4 強(qiáng)度折減法塑性區(qū)分布

從圖4可看出，隨著折減系數(shù)的不斷增大，塑性區(qū)先從邊坡軟弱部分開展，然后不斷向周圍擴(kuò)展，當(dāng)折減系數(shù)達(dá)到1.88時(shí)，塑性區(qū)剛好貫通坡頂，可判定該邊坡的強(qiáng)度折減安全系數(shù)為1.88。 塑性區(qū)主要產(chǎn)生于邊坡1#全夾強(qiáng)風(fēng)化巖和2#強(qiáng)風(fēng)化巖部分。

3.2 地震超載法仿真結(jié)果

超載系數(shù)從2～3.2時(shí)的邊坡塑性區(qū)分布如圖5。

圖5 地震超載法塑性區(qū)分布

從圖5可看出，隨著超載系數(shù)的不斷增大，塑性區(qū)先從坡腳和坡體軟弱部分開展， 然后不斷向周圍擴(kuò)展，當(dāng)超載系數(shù)達(dá)到3.2時(shí)，塑性區(qū)剛好貫通坡頂，可判定該邊坡的超載安全系數(shù)為3.2。 塑性區(qū)范圍主要產(chǎn)生于邊坡1#全夾強(qiáng)風(fēng)化巖和2#強(qiáng)風(fēng)化巖部分及坡腳處弱風(fēng)化巖部分。

對(duì)比以上兩種計(jì)算方法可發(fā)現(xiàn)： 當(dāng)塑性區(qū)剛好貫通坡頂時(shí)， 地震超載法計(jì)算出的塑性區(qū)范圍產(chǎn)生于邊坡1#全夾強(qiáng)風(fēng)化巖和2#強(qiáng)風(fēng)化巖部分以及坡腳處弱風(fēng)化巖部分， 而強(qiáng)度折減法計(jì)算出的塑性區(qū)范圍主要產(chǎn)生于邊坡1#全夾強(qiáng)風(fēng)化巖和2#強(qiáng)風(fēng)化巖部分， 由此可見地震超載法計(jì)算出的邊坡塑性區(qū)范圍要大于強(qiáng)度折減法計(jì)算出的邊坡塑性區(qū)范圍。

4 結(jié)語

（1）以邊坡塑性區(qū)貫通坡頂為失穩(wěn)判別標(biāo)準(zhǔn)，分別采用強(qiáng)度折減法和地震超載法對(duì)該邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性研究， 可判定該邊坡的強(qiáng)度折減安全系數(shù)和地震超載安全系數(shù)分別為1.88和3.2。

（2）當(dāng)塑性區(qū)剛好貫通坡頂時(shí)，地震超載法計(jì)算出邊坡塑性區(qū)范圍要大于強(qiáng)度折減法計(jì)算出的邊坡塑性區(qū)范圍。