劉小煥，裴娜娜，韓晶晶，李 琳

(1.巴州基安巖土工程勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，新疆庫(kù)爾勒841000;2.陜西省高速機(jī)械化工程有限公司，陜西西安710075;3.西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，四川成都610039)

邊坡受到的動(dòng)力荷載主要來(lái)自地震、爆炸和機(jī)械振動(dòng)等，所造成的破壞最多、最大當(dāng)屬地震荷載。地震荷載可能誘發(fā)山體滑坡，導(dǎo)致人員傷亡。展開(kāi)地震荷載作用下邊坡的地震反應(yīng)、動(dòng)力穩(wěn)定性及工程安全性的研究，對(duì)于減小地震荷載誘發(fā)的災(zāi)害，確保工程的安全，保障國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，具有極其重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。

分析邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題，基本上有兩種方法:極限平衡法和數(shù)值分析方法。目前，在巖土工程中，對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析常用的數(shù)值分析方法有界面元法、拉格朗日元法、離散單元法、自適應(yīng)有限元法和有限元法[1]。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，有限差分法以其獨(dú)特的計(jì)算風(fēng)格和計(jì)算流程在數(shù)值方法家族中異軍突起，F(xiàn)LAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日分析)就是巖土工程數(shù)值分析軟件的典型代表。用極限平衡法，在開(kāi)始分析時(shí)估計(jì)圓形破壞線(xiàn)的位置是必要的，而在FLAC中則不必要，F(xiàn)LAC將會(huì)通過(guò)直接模擬材料性能找到破壞面和破壞機(jī)理[2]。本文利用FLAC3D軟件在邊坡工程中的應(yīng)用作了一些分析。

FLAC3D是二維計(jì)算程序在三維空間的擴(kuò)展，用于模擬三維土體、巖體或其他材料力學(xué)特性，尤其是達(dá)到屈服極限時(shí)的塑性流變特性，廣泛應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、支護(hù)設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)、地下洞室、拱壩穩(wěn)定分析、隧道工程、礦山工程等多個(gè)領(lǐng)域[3]。

1 FLAC3D動(dòng)力分析

FLAC3D動(dòng)力分析中考慮到結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性質(zhì)和大變形的影響，采用等效線(xiàn)性振動(dòng)分析和非線(xiàn)性振動(dòng)分析兩種方法。等效線(xiàn)性方法是根據(jù)試驗(yàn)和工程類(lèi)比來(lái)給定材料的阻尼比和剪切模量進(jìn)而計(jì)算其動(dòng)力反應(yīng)，由于建模簡(jiǎn)單而被廣泛用于地震工程學(xué)中，模擬地震波在巖土體中傳播以及巖土體與結(jié)構(gòu)物間的動(dòng)力相互作用。非線(xiàn)性動(dòng)力分析則是考慮材料物理力學(xué)性質(zhì)空間和時(shí)間上的非線(xiàn)性，模型中各個(gè)單元不同的變形破壞階段采用不同的阻尼比和剪切模量來(lái)計(jì)算動(dòng)力反應(yīng)。在FLAC3D的動(dòng)力計(jì)算中采取非線(xiàn)性展動(dòng)分析法，能夠真實(shí)地模擬地質(zhì)體的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系。

動(dòng)力分析過(guò)程一般分為以下兩個(gè)步驟:一定地質(zhì)條件下的靜力平衡計(jì)算和施加動(dòng)力荷載后的動(dòng)力反應(yīng)分析。在第一步中，確定模型范圍、初始條件、材料類(lèi)型、本構(gòu)模型以及模型的填筑、開(kāi)挖、襯砌等，也就是靜力作用下的平衡計(jì)算;第二步，是在第一步計(jì)算的基礎(chǔ)上，施加動(dòng)荷載[4]。

2 工程概況及數(shù)值模型

某邊坡坡體高為40 m，水平距離35 m，坡頂高程為100 m，其簡(jiǎn)化模型尺寸如圖1所示，上部為巖體，下部為基巖，其物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 某邊坡的簡(jiǎn)化模型(單位:m)

表1 物理力學(xué)參數(shù)

該邊坡上部采用彈塑性材料，下部采用彈性材料，屈服準(zhǔn)則采用Mohr－Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。由于所選取的邊坡計(jì)算范圍較大，可忽略圣維南效應(yīng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析的影響。且因邊坡的變形和破壞主要發(fā)生在坡體的淺部，構(gòu)造應(yīng)力在長(zhǎng)期的地質(zhì)過(guò)程中已經(jīng)消失殆盡，因此模型邊界不考慮構(gòu)造應(yīng)力的作用，只考慮自重應(yīng)力作用。計(jì)算模型所采用的位移邊界條件:基底采用剛性邊界，同時(shí)約束水平方向、豎直方向的位移;左右邊界采用水平約束，約束水平方向的位移，只允許豎向沉降;地表邊界為自由邊界[5]。動(dòng)力計(jì)算是在靜力計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，就是在模型底部施加動(dòng)力荷載(本文即為地震波)，模型的網(wǎng)格劃分及動(dòng)力邊界見(jiàn)圖2和圖3。模擬時(shí)采用的地震加速度時(shí)程是由某地震局提供的地震主震數(shù)據(jù)，為了減少數(shù)值模擬計(jì)算的時(shí)間，只取用幅值較大的前10 s波段作為輸入波，圖4為其加速度時(shí)程曲線(xiàn)。

圖2 邊坡網(wǎng)格劃分

圖3 模型的動(dòng)力邊界

圖4 加速度時(shí)程曲線(xiàn)

3 模擬結(jié)果分析

3.1 天然狀態(tài)下模擬分析

天然狀態(tài)下滑坡是否穩(wěn)定主要取決于最大不平衡力是否收斂，從圖5可以看到，最大不平衡力基本上是收斂的，而從圖6剪應(yīng)變分布圖可以看出，未出現(xiàn)剪應(yīng)變集中現(xiàn)象，剪應(yīng)變主要集中在1×10－15～0，由此可知，天然狀態(tài)下邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 地震作用下模擬分析

首先是地震波沿X方向傳播的模擬分析，即垂直于坡面方向傳播。從圖7可以看到，坡體已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的剪應(yīng)變集中帶，最大剪應(yīng)變值達(dá)到3.24×10－2，邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài);再看圖8水平位移方向殘余位移云圖:坡體已出現(xiàn)整體性位移，最大值出現(xiàn)在接近坡腳處，其值達(dá)到了－1.31 m，說(shuō)明在此方向的地震動(dòng)荷載作用下坡體已經(jīng)發(fā)生大體積滑坡。

圖5 天然狀態(tài)下最大不平衡力

圖6 天然狀態(tài)下剪應(yīng)變?cè)隽糠植荚茍D

圖7 X方向地震波作用下剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖8 X方向地震波作用下水平方向殘余位移云圖

其次是地震波沿Y方向傳播的模擬分析，即平行于坡面方向傳播。從圖9可以看到，坡體出現(xiàn)了明顯的剪應(yīng)變集中帶，最大剪應(yīng)變值達(dá)到9.41×10－3，邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài);再看圖10水平位移方向殘余位移云圖:坡體已出現(xiàn)整體性位移，最大值出現(xiàn)在接近坡腳處，其值達(dá)到了－0.47 m，說(shuō)明在此方向的地震動(dòng)荷載作用下坡體已經(jīng)發(fā)生滑坡。

圖9 Y方向地震波作用下剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖10 Y方向地震波作用下水平方向殘余位移云圖

當(dāng)?shù)卣鸩ㄑ卮怪狈较騻鞑?，即垂直于邊坡底部傳播。從圖11知，坡體已經(jīng)出現(xiàn)了剪應(yīng)變集中帶，最大剪應(yīng)變出現(xiàn)在臨近坡腳和坡頂處，其值達(dá)到1.49×10－2，邊坡沿此剪切帶將失穩(wěn);水平位移方向殘余位移云圖12:坡體出現(xiàn)局部位移，最大位移值出現(xiàn)在坡體中部，最大值達(dá)到－0.59 m，表明在此方向的地震動(dòng)荷載作用下坡體發(fā)生局部滑坡。

圖11 垂直方向地震波作用下剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖12 垂直方向地震波作用下水平方向殘余位移云圖

最后是地震波沿三個(gè)方向共同傳播的模擬分析，從圖13可以看到，坡體已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的剪應(yīng)變集中帶，最大剪應(yīng)變值達(dá)到3.64×10－2，邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài);再看圖14水平位移方向殘余位移云圖:坡體已出現(xiàn)局部位移，最大值出現(xiàn)在接近坡腳和坡頂處，其值達(dá)到了－0.91 m，說(shuō)明在地震動(dòng)荷載作用下坡體已經(jīng)發(fā)生局部滑坡。

圖13 三個(gè)方向地震波共同作用下剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖14 三個(gè)方向地震波共同作用下水平方向殘余位移云圖

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合巖質(zhì)邊坡工程實(shí)例，總結(jié)了巖質(zhì)邊坡動(dòng)力穩(wěn)定性分析的研究成果。目前，雖然巖質(zhì)邊坡動(dòng)力穩(wěn)定性分析的研究已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，但是由于問(wèn)題本身的復(fù)雜性，這些理論和方法還遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足工程實(shí)際的需要，還需要在理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)等方面開(kāi)展更為深入的研究，為工程實(shí)際提供理論和技術(shù)支持。

[1]賴(lài)永標(biāo)，胡仁喜，黃書(shū)珍.ANSYS11.0土木工程有限元分析典型范例[M].北京:電子工業(yè)出版社，2007:173－174

[2]王鐵行，廖紅建.巖土工程數(shù)值分析[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009:86－131

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[5]周中.土石混合體滑坡的流－固耦合特性及其預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究[D].中南大學(xué)，2006