王　成,楊耀宗

(重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 重慶　400074)

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地震荷載作用下高邊坡穩(wěn)定性分析

王成,楊耀宗

(重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 重慶400074)

摘要：應(yīng)用地震對(duì)高邊坡的破壞機(jī)理，以重慶渝中區(qū)洋河小學(xué)頭塘校區(qū)旁邊的高邊坡為研究對(duì)象，對(duì)地震荷載下高邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析.利用有限元軟件MIDAS/GTS，建立三維數(shù)值模擬模型，初步分析地震荷載作用下帶有軟弱夾層的高邊坡位移及應(yīng)力變化規(guī)律.由分析結(jié)果可知：沿地震波方向的高邊坡位移明顯增大，其他方向位移變化較??；軟弱夾層上部較下部位移變化大.高邊坡安全系數(shù)的計(jì)算可為其加固提供可靠的理論依據(jù).

關(guān)鍵詞：地震荷載；高邊坡；三維數(shù)值模擬；MIDAS/GTS；安全系數(shù)

我國(guó)是一個(gè)多山的國(guó)家，因而客觀上決定了我國(guó)有大量的邊坡；同時(shí)我國(guó)還是一個(gè)地震多發(fā)的國(guó)家，西部地區(qū)是主要的強(qiáng)震區(qū).因此，研究地震荷載作用下邊坡的安全性尤為重要[1-2]，當(dāng)然高邊坡也不例外.目前，地震荷載作用下比較常用的高邊坡穩(wěn)定性分析方法有擬靜力法、Newmark滑塊分析法及動(dòng)力分析法等.Terza-ghi最先提出擬靜力法，由于其簡(jiǎn)便適用，在分析地震荷載對(duì)高邊坡作用中得到廣泛應(yīng)用，并積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，被編入有關(guān)規(guī)范[3].由于此方法在靜力荷載下采用靜力方法求得，沒(méi)有表現(xiàn)出地震的動(dòng)力特性，因而只能作為一般經(jīng)驗(yàn)性的方法.Newmark滑塊分析法目前被許多國(guó)家應(yīng)用[4]，但由于缺乏破壞準(zhǔn)則，無(wú)法判斷穩(wěn)定性.動(dòng)力分析法是把每一時(shí)刻的動(dòng)荷載當(dāng)作靜荷載，按照靜力方法求得每一時(shí)刻的安全系數(shù)，繪制成安全系數(shù)時(shí)程曲線[5].現(xiàn)在靜力方法在高邊坡分析中已比較成熟，但在地震荷載作用下的高邊坡分析中，尤其是工程應(yīng)用上還有許多問(wèn)題有待解決.因此，利用地震對(duì)高邊坡破壞的機(jī)理，以重慶渝中區(qū)洋河小學(xué)頭塘校區(qū)旁的高邊坡為研究背景，現(xiàn)場(chǎng)采集樣品，試驗(yàn)求得力學(xué)參數(shù)，并利用有限元軟件MIDAS/GTS，對(duì)高邊坡在地震荷載作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析與研究.

1高邊坡地質(zhì)背景

高邊坡位于重慶市渝中區(qū)洋河小學(xué)頭塘校區(qū)附近，具體地質(zhì)與地震狀況如下：

1)地層巖性.高邊坡上覆巖層為第四系砂卵礫石層，以及局部堆積于斜坡坡腳的殘坡積粉質(zhì)黏土，厚約10 m；地層以河湖相沉積的中生界侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組為主，巖性為灰色巖屑長(zhǎng)石砂巖、長(zhǎng)石砂巖、紫灰色中-厚層狀泥巖、含葉肢介、介形蟲(chóng)化石.

2)地質(zhì)構(gòu)造.位于新華夏系四川沉降區(qū)川東南弧形構(gòu)造帶、華鎣山帚狀褶皺束和宣漢-重慶平行褶皺束過(guò)度帶的重慶復(fù)向斜部位，其構(gòu)造骨架形成于燕山晚期褶皺運(yùn)動(dòng).構(gòu)造形跡從東向西依次為：東西兩側(cè)分別為南溫泉和觀音峽緊密背斜，中部為重慶復(fù)向斜.重慶復(fù)向斜由一系列近于平行的北東向的平緩褶皺組成，由西向東有金鰲寺(化龍橋)向斜、龍王洞背斜、沙坪壩-重慶(解放碑)向斜.除沙坪壩-重慶(解放碑)向斜呈NE-SW向外，其余多呈NNE-SSW向展布，并向南轉(zhuǎn)為SN向.區(qū)內(nèi)褶皺均為緩傾沒(méi)的平緩開(kāi)闊式，軸部、翼部均由上沙溪廟組砂巖、泥巖組成，褶皺傾沒(méi)角2～8°，巖層產(chǎn)狀平緩，傾角3～6°.

3)地震情況.歷史上重慶頻繁發(fā)生小地震，根據(jù)記錄，在1854年11月24日，距離重慶約65 km的南川縣發(fā)生了5.5級(jí)地震；1970—1980年的10年內(nèi)發(fā)生27次小地震，震級(jí)最大為4級(jí)；最近幾年頻繁發(fā)生地震，在1989年9月9日，重慶渝中區(qū)發(fā)生了4.3級(jí)小地震，同年11月20日發(fā)生5.4級(jí)地震，主城區(qū)約40 km外有感.

重慶地區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以不均衡間歇性抬升為主，在兩江沿岸斷續(xù)分布多級(jí)陡崖與階地.這些陡崖底部標(biāo)高可與Ⅲ~Ⅳ級(jí)階地標(biāo)高大致對(duì)應(yīng)，說(shuō)明陡崖的分布與江河的沖刷切割具有密切的相關(guān)性.

2高邊坡工程的巖體力學(xué)參數(shù)

里程K0+460～K0+680處的海爾路是深路塹段，挖方最大深度35 m.通過(guò)對(duì)工程地質(zhì)條件調(diào)查，并結(jié)合巖芯室內(nèi)試驗(yàn)成果，確定高邊坡巖體力學(xué)參數(shù).具體見(jiàn)表 1.

表1　高邊坡工程巖體力學(xué)參數(shù)

3三維模型的建立

3.1基于MIDAS/GTS模型的建立

借助有限元分析軟件MIDAS/GTS建立有限元模型，對(duì)地震荷載作用下高邊坡的坡的位移和應(yīng)力進(jìn)行分析，旨在對(duì)高邊坡加固提供理論依據(jù).巖質(zhì)邊坡如圖1所示；輸入X方向地震的水平加速度曲線如圖2所示.

3.2屈服準(zhǔn)則

圖1　巖質(zhì)邊坡示意圖　　　　　　　　圖2　輸入X方向地震的水平加速度曲線

根據(jù)邊坡巖體的地質(zhì)力學(xué)特性，采用Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則作為屈服準(zhǔn)則，采用理想彈塑性簡(jiǎn)化巖體的材料.此模型不僅適用于巖體的破壞前后，并且較好地反映高邊坡的變形、位移、塑性等重要變量，所得結(jié)果較好地反映了高邊坡的實(shí)際狀態(tài).

在主應(yīng)力場(chǎng)中，可以用一不等角的六棱錐體描述Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則，投影到在平面上成為不等角的六邊形.其函數(shù)表達(dá)式如下：

式中：J1表示應(yīng)力張量第一不變量，J2表示應(yīng)力張量第二不變量，θσ表示應(yīng)力Lode角，取值范圍為

Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則考慮了巖石拉壓不等的性質(zhì)，適合高邊坡的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系.

3.3模擬模型

該模型高邊坡高度為20 m，垂直邊界總高為35 m，水平邊界長(zhǎng)度為55 m，高邊坡坡度為1∶1，內(nèi)部有內(nèi)夾層.模型模擬整體為硬巖內(nèi)部有層內(nèi)夾層.如圖1所示.

模型簡(jiǎn)化：底部為固定約束邊界，左右兩側(cè)約束X方向自由度，如圖3所示.

4數(shù)值模擬結(jié)果

圖3　高邊坡有限元模型

地震荷載作用下高邊坡的位移變化規(guī)律如圖4、圖5所示.

由圖4和圖5可知：在水平方向地震荷載作用下，沿X方向的位移是高邊坡臨近破壞時(shí)位移的1.5倍，均沿X方向的負(fù)方向；軟弱夾層上部硬巖的位移值和下層硬巖的位移值有明顯的差異，最大位移區(qū)域較破壞前擴(kuò)大了；地震荷載作用下主要沿X方向位移的改變，對(duì)Y方向的位移相對(duì)較小，而且位移的比值是幾何級(jí)數(shù).

圖4　沿X方向位移圖　　　　　　　　　　　圖5　沿Y方向位移圖

在地震荷載作用下，圖6、圖7和圖8分別為X-Y平面剪應(yīng)力、最小主應(yīng)力和等效塑性圖.

由圖6、圖7和圖8可以看出，在地震荷載作用下，X-Y平面內(nèi)邊坡的剪應(yīng)力為破壞前1.3倍，而最小主應(yīng)力卻較破壞前減小，軟巖和硬巖之間的橫向位移變大，軟巖兩側(cè)的硬巖應(yīng)力變化差別明顯.這些說(shuō)明地震發(fā)生時(shí)高邊坡主要發(fā)生剪切破壞.在軟巖夾層兩側(cè)塑性區(qū)出現(xiàn)了貫通，說(shuō)明軟巖夾層對(duì)地震荷載作用下邊坡的穩(wěn)定性較大，邊坡很容易失去穩(wěn)定性.

圖6　X-Y平面剪應(yīng)力圖　　　　　　　　　　圖7　最小主應(yīng)力圖

圖8　等效塑性圖

利用高邊坡沿X方向位移和強(qiáng)度折減系數(shù)的關(guān)系，通過(guò)計(jì)算求得:地震荷載作用下高邊坡安全系數(shù)在0～0.55時(shí)，X方向的位移幾乎不變；高邊坡安全系數(shù)為0.55～0.75時(shí)，X方向的位移變化較??；安全系數(shù)為0.75～0.95時(shí)，位移增加迅速，出現(xiàn)塑形破壞；安全系數(shù)超過(guò)0.95時(shí)，邊坡失穩(wěn)，此時(shí)需要采取加固措施，確保邊坡安全.

5結(jié)語(yǔ)

1)從上述分析可知，地震荷載是高邊坡失穩(wěn)的重要因素，在地震高發(fā)地區(qū)分析高邊坡加固時(shí)需要考慮地震荷載的作用.

2)地震荷載作用下帶有夾層高邊坡的破壞主要是巖體的剪切和拉破壞.考慮到地震對(duì)高邊坡破壞機(jī)制，故而利用強(qiáng)度折減法對(duì)高邊坡安全性進(jìn)行分析.從結(jié)果看，數(shù)據(jù)是可行的，結(jié)論是可靠的.

參考文獻(xiàn)：

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(編輯徐永銘)

Analysis on the Stability of High Slope Under Seismic Loads

WANG Cheng,YANG Yao-zong

(College of Civil Engineering and Architecture, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,China)

Abstract:Taking the high-slope near Toutang Campus of Chongqing Yanghe Primary School in Yuzhong District as the research object,this paper analyzed the stability of high slope under seismic loads with the failure mechanism.By using the finite element software MIDAS/GTS,a 3D numerical simulation model was established to analyze the displacement and stress variation of high slope with weak interlayer under seismic loads.The results showed that the displacement of high slope along the direction of seismic waves increased significantly while other directions were less changed;the upper part of the weak interlayer changed greatly than the lower part. It provided a reliable theoretical basis for the reinforcement to the high slope with the calculation of the safety factor.

Key words:seismic loads; high slope; numerical simulation; MIDAS/GTS; safety factor

中圖分類號(hào)：U416.1+4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-358X(2015)01-0052-04

作者簡(jiǎn)介：王成(1962-)，男，重慶人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事橋隧工程研究;

收稿日期：2014-11-02

楊耀宗(1989-)，男，安徽安慶人，碩士研究生，主要從事巖土工程研究.