，， ，

(1.成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，成都 610081； 2.江西省水利科學(xué)研究院，南昌 330029)

1 研究背景

導(dǎo)致斜坡失穩(wěn)的因素很多，地震是誘導(dǎo)滑坡的重要因素之一，由地震引發(fā)的斜坡失穩(wěn)的實例很多，相關(guān)數(shù)據(jù)表明[1]，地震烈度為Ⅵ度時可誘發(fā)滑坡，且地震烈度越高，滑坡的誘發(fā)幾率也越大[2]。新世紀(jì)以來，伊朗地震、日本地震、印度洋海嘯、臺灣地震、汶川地震等頻繁發(fā)生，給大量重大工程和人類生命財產(chǎn)安全帶來巨大損失[3-4]。

現(xiàn)今，在許多重要的工程項目中，地震被視為一個主要的動力影響因素考慮在內(nèi)[5]。

本文以重慶市嘉陵新路某變形斜坡[6]為例，結(jié)合現(xiàn)場對變形體進(jìn)行的野外勘探所獲得相關(guān)資料，詳細(xì)查明嘉陵新路變形斜坡的具體位置與規(guī)模等特征因素。根據(jù)野外調(diào)研資料和測繪結(jié)果數(shù)據(jù)，選取嘉陵新路某變形斜坡最危險截面，利用Phase2軟件建立二維地質(zhì)模型并確定相關(guān)參數(shù)，根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃臍庀?，地質(zhì)構(gòu)造與地震資料進(jìn)行模擬計算，分析研究該截面的變形破壞機(jī)制，得出相關(guān)結(jié)論，為今后類似的工程實際應(yīng)用提供一定的參考依據(jù)。

2 地震作用對土質(zhì)斜坡穩(wěn)定性的數(shù)值計算

2.1 斜坡概況

圖1 斜坡地質(zhì)剖面簡圖

2.2 地震計算模型的建立

據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2010)，渝中區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度；依照《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2008)，該地區(qū)的地震動峰值加速度值為0.1g，地震動反應(yīng)譜特征周期值為0.35 s。為計算斜坡的不穩(wěn)定性，選定了斜坡最不利條件，其水平、鉛直加速度皆為0.1g，地震影響系數(shù)為0.1。特征周期值依據(jù)該場地土類型確定為0.3 s。所示的采用Phase2軟件建立的地震作用下斜坡數(shù)值計算模型如圖2所示。

圖2 地震作用下斜坡有限元計算模型

地震計算本構(gòu)模型為莫爾庫侖模型，該模型適用于剪應(yīng)力屈服材料，其破壞、強(qiáng)度準(zhǔn)則在巖土工程中應(yīng)用十分廣泛，滿足精度要求。采用有限元分析方法求解土質(zhì)結(jié)構(gòu)相互作用問題，通常的做法是從無限的邊界中截取有限計算截面進(jìn)行計算，對截取的有限計算區(qū)域設(shè)置人工邊界，從而更好地模擬無限邊界。通過沿人工邊界設(shè)置一系列由彈簧和阻尼器組成簡單物理元件來吸收射向人工邊界的波動能量和放射波的散射，邊界條件采用黏彈性人工邊界。除坡面為自由邊界外，模型底部和模型四周都采用固定約束。在初始條件中，考慮自重應(yīng)力產(chǎn)生的初始應(yīng)力場。由于斜坡為非涉水邊坡，地下水水位較深，地表沒有發(fā)現(xiàn)地下水的出露，因此在地震模型中不考慮地下水作用。采用Phase2軟件建立幾何模型并進(jìn)行自由網(wǎng)格剖分，共劃分為541個單元， 1 140個節(jié)點(diǎn)，通過等效剛度法，換算成提高土體的黏聚力以及內(nèi)摩擦角。取砂巖和泥巖樣各4組，土樣12組，分別進(jìn)行巖土體試驗。根據(jù)試驗成果首先對變異值進(jìn)行分析器原因，剔除后，進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計修正得巖土體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，如表1所示。利用Phase2中穩(wěn)定系數(shù)強(qiáng)度折減法調(diào)整巖土體的強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，然后對斜坡穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，不斷適度地增大折減系數(shù)，然后反復(fù)循環(huán)計算，直到其到達(dá)到了臨界破壞的狀態(tài)，此時所得到的折減系數(shù)即為安全性系數(shù)。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模型計算結(jié)果分析

3.1 斜坡動力響應(yīng)分析

圖3 監(jiān)測點(diǎn)布置圖

在地震作用下，嘉陵新路斜坡的各個部位動力響應(yīng)具體表現(xiàn)在加速度、速度和位移上。文中在潛在滑帶上布置3個監(jiān)測點(diǎn)分析研究動力響應(yīng)，如圖3所示。根據(jù)重慶地區(qū)歷史地震記錄數(shù)據(jù)庫選擇適合該場地類型及地震加速度的地震波作為文中的輸入地震波，垂直地震力破壞性不大，考慮最不利荷載，當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度為Ⅵ度，主要考慮水平方向地震作用，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2010)，渝中區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度；根據(jù) 2008年《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2008)該地區(qū)地震的動峰值的加速度值為0.1g，輸入的地震波加速度時程曲線如圖4，速度時程曲線如圖5，從圖中可知監(jiān)測點(diǎn)加速度范圍在-1.00～1.05 m/s2，監(jiān)測點(diǎn)速度-0.157～0.08 m/s。

圖4 水平加速度為0.1 g的加速度時程曲線

圖5 加速度為0.1g的速度時程曲線

從圖6(a)、圖(b)可知，監(jiān)測點(diǎn)JC-1,JC-2在加載4 s后時程曲線保持基本水平，即位移收斂，此時斜坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)達(dá)到6 s時，時程曲線末端上翹，位移不收斂，此時斜坡處于失穩(wěn)狀態(tài)。該2個監(jiān)測點(diǎn)的位移場和應(yīng)力場取自該臨界破壞點(diǎn)，位移量分別達(dá)到0.034，0.35 m。

從圖6(c)可知，監(jiān)測點(diǎn)JC-3在加載3 s后斜坡是處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到5 s時，斜坡處于失穩(wěn)狀態(tài)。該監(jiān)測點(diǎn)位移場和應(yīng)力場取自該臨界破壞點(diǎn)，位移量達(dá)到0.25 m。

(a) JC-1

(b) JC-2

(c) JC-3圖6 位移時程曲線

3.2 位移場計算結(jié)果分析

圖7(a),圖7(b)和圖7(c)分別為水平位移云圖、豎直位移云圖、總位移云圖。從圖中可知，位移最大值出現(xiàn)在斜坡的中部為0.36 m，頂部和底部位移均在0.15～0.18 m之間。地震波能量從斜坡模型底部開始吸收，潛在滑動面附近區(qū)域位移值相比其它地方較大，滑動面形成貫通，由下至上坡體內(nèi)部沿土體與破碎帶接觸面連通破壞，由天然靜力條件下的頂部破壞的推動式滑坡變成由下部剪切破壞的牽引式滑坡，斜坡從坡腳開始破壞，出現(xiàn)臨空面從而引起上部土體的破壞。斜坡處于失穩(wěn)狀態(tài)，安全系數(shù)為0.94。其不穩(wěn)定原因在于：一是斜坡體在垂直方向上獲得超過了重力加速度的啟動加速度，雖然數(shù)值較小，但還是產(chǎn)生了影響；二是滑體在水平方向上獲得較高的啟動加速度，造成斜坡向下滑動。

(a) 水平位移

(b) 豎直位移

(c) 總位移

(a) 最小主應(yīng)力

(b) 最大的主應(yīng)力

3.3 應(yīng)力場計算結(jié)果分析

圖8(a)，圖8(b)分別為最小、最大主應(yīng)力云圖。由圖8(a)可知，最小應(yīng)力場分布規(guī)律同天然靜力作用下的斜坡相似，由坡面往坡體內(nèi)呈層狀分布，隨深度的增加而增加。在斜坡體后緣較大范圍內(nèi)應(yīng)力為負(fù)值，說明該處存在拉應(yīng)力，應(yīng)力變化較小。斜坡體最小主應(yīng)力為0.24 MPa，且斜坡在中部容易發(fā)生剪切破壞，這與位移場計算結(jié)果吻合。

由圖8(b)可知，斜坡體最大主應(yīng)力值為0.5 MPa，由坡面往坡面內(nèi)部呈層狀分布，幾乎與坡面平行且隨深度的增加而增加。在斜坡體后緣較小范圍內(nèi)應(yīng)力為負(fù)值，說明該處存在拉應(yīng)力，其值為0.095 MPa。在地震條件下，水平的地震力使坡面的法向方向壓應(yīng)力削減和下滑力增加，斜坡易發(fā)生失穩(wěn)。

3.4 剪應(yīng)變增量計算結(jié)果分析

圖9，圖10為斜坡的最大剪應(yīng)變云圖和最大塑性應(yīng)變云圖。在地震作用下，由于主應(yīng)力的偏轉(zhuǎn)，斜坡體內(nèi)的最大剪應(yīng)變曲線凹向坡面更加明顯。由圖9可知，在坡腳和坡體中部的剪應(yīng)變達(dá)到最大值，易發(fā)生剪切破壞。

圖9 最大剪應(yīng)變云圖

圖10 最大塑性應(yīng)變云圖

由圖10可知，在坡腳和坡肩處的塑性應(yīng)變值較大，在坡肩附近除坡面上產(chǎn)生的拉破壞單元外，坡體內(nèi)部的剪切破壞單元可能轉(zhuǎn)換為拉破壞單元，表現(xiàn)為邊坡后緣拉破壞區(qū)的深度增加，坡肩處的單元在地震作用下有被甩出去的趨勢，由于土體抗拉強(qiáng)度較低，在強(qiáng)大慣性力作用下易發(fā)生拉破壞。

綜上所述：①拉破壞單元主要分布于坡面和坡肩，剪切破壞單元分布于坡體內(nèi)；②潛在貫通面由前緣的剪切破壞面和后緣的拉破壞面構(gòu)成。

4 結(jié) 語

(1) 邊坡在地震作用下破壞機(jī)制表現(xiàn)在邊坡體內(nèi)的剪破壞和坡面坡肩的拉破壞。本文算例可以得出，邊坡在地震動力作用下，主要是坡頂向下一定深度內(nèi)發(fā)生拉破壞，坡體內(nèi)向上發(fā)生剪切破壞，最終二者形成貫通面，發(fā)生失穩(wěn)。

(2) 地震邊坡失穩(wěn)是一個隨地震時間發(fā)展從而累積的過程。本文為例的計算結(jié)果表明，當(dāng)加載到一定時間，斜坡的累計破壞效應(yīng)使斜坡處于失穩(wěn)狀態(tài)，從而易發(fā)生瞬時潰滑。

(3) 地震作用下邊坡穩(wěn)定性問題是邊坡治理中的一個重要研究內(nèi)容。本文研究了地震作用下邊坡的破壞機(jī)制，計算結(jié)果合理，具有一定的應(yīng)用參考價值。

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