柏威偉，石 磊，吳福寶，龔洪葦，錢(qián)小龍，董 謙

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063；2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059)

0 引 言

地震是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素之一。我國(guó)地處環(huán)太平洋地震帶與亞歐地震帶之間，形成多山地、地震易發(fā)的特殊地理地質(zhì)條件，地震作用下邊坡失穩(wěn)破壞現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，極大威脅著人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)與“一帶一路”政策的實(shí)施，西南地區(qū)涌現(xiàn)高速公路與鐵路客運(yùn)專(zhuān)線的建設(shè)浪潮，而西南地區(qū)多屬高烈度地震區(qū)，地震作用下的穩(wěn)定性問(wèn)題日趨突出，研究邊坡地震穩(wěn)定性可對(duì)提高邊坡的抗震性能、優(yōu)化邊坡加固措施等具有現(xiàn)實(shí)意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)邊坡在地震荷載作用下的穩(wěn)定性研究已取得一定的研究成果。祁生文等[1-3]通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析了地震作用下邊坡的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，并按其破壞類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)。鄭穎人、徐光興、畢忠偉等[4- 6]探討了均質(zhì)土質(zhì)邊坡在地震荷載下的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，關(guān)于地震作用下多級(jí)平臺(tái)對(duì)巖質(zhì)高邊坡動(dòng)力響應(yīng)特性及動(dòng)力失穩(wěn)破壞機(jī)制的影響研究較少，眾多學(xué)者[7-12]采用均質(zhì)土質(zhì)邊坡為計(jì)算模型研究其動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。大多數(shù)地震荷載不屬于高烈度地震，巖土體參數(shù)類(lèi)型均采用靜力學(xué)參數(shù)。為此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以小江斷裂帶為研究背景，依托在建的三清高速某典型路段邊坡工程，建立多級(jí)平臺(tái)巖質(zhì)高邊坡概化模型，在強(qiáng)震(≥0.4g)基礎(chǔ)上進(jìn)行邊坡動(dòng)力響應(yīng)分析，并結(jié)合加速度、位移、最大剪應(yīng)變、塑性區(qū)等變化規(guī)律，對(duì)水平地震作用下邊坡的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律和失穩(wěn)破壞機(jī)制進(jìn)行定性的評(píng)價(jià)研究。

1 邊坡巖體結(jié)構(gòu)特征

典型路段邊坡處于高原中低山構(gòu)造陡斜坡地貌，斜坡地形較陡，自然坡度30°左右，邊坡區(qū)域未見(jiàn)不良地質(zhì)現(xiàn)象，植被覆蓋率較高，水土保持較好，局部可見(jiàn)塊石，邊坡山體自然狀態(tài)下穩(wěn)定性較好。出露基巖為寒武系下統(tǒng)筇竹寺組(ε1q)砂巖，強(qiáng)風(fēng)化，呈松散、淡黃色狀，巖層產(chǎn)狀為138°∠35°。邊坡呈層狀碎裂構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，且膠結(jié)程度較低。巖質(zhì)較軟易被雨水沖刷流失，地表水欠發(fā)育，坡面未見(jiàn)地下水出露。根據(jù)典型邊坡現(xiàn)場(chǎng)鉆孔試驗(yàn)可知，邊坡坡體在0～8、20～25、29～39 m處巖芯多呈砂土狀，其他位置多屬?gòu)?qiáng)風(fēng)化砂巖且呈碎塊狀。邊坡示意見(jiàn)圖1。

圖1 邊坡示意(單位：m)

對(duì)邊坡巖層出露處，以1 m×1 m的正方形區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)圖2。從圖2可知，各節(jié)理間充填粘性礦物顆粒，巖體呈碎塊狀且強(qiáng)風(fēng)化，錘擊易碎，節(jié)理間距1.0～4.0 cm。為快速獲取邊坡結(jié)構(gòu)面信息，采用孔隙(顆粒)及裂隙圖像識(shí)別與分析系統(tǒng)(PCAS)的Crack模塊進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Crack模塊可快速自動(dòng)完成裂隙網(wǎng)絡(luò)識(shí)別，并輸出裂隙的各類(lèi)幾何信息[13]。根據(jù)Crack模塊識(shí)別生成的玫瑰花節(jié)理見(jiàn)圖3。從圖3可知，各個(gè)方向的節(jié)理均較發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)節(jié)理。

綜上可知，該典型邊坡主要由全風(fēng)化砂巖與強(qiáng)風(fēng)化砂巖組成，且節(jié)理發(fā)育，邊坡巖體結(jié)構(gòu)呈碎塊狀。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，邊坡穩(wěn)定性已不受結(jié)構(gòu)面控制。

圖2 邊坡巖體節(jié)理

圖3 節(jié)理玫瑰花圖

2 邊坡模型建立及地震選取

2.1 模型建立及邊界條件

根據(jù)該路段的邊坡抗震設(shè)計(jì)要求，邊坡需開(kāi)挖50 m左右。根據(jù)JTG D30—2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，邊坡高度大于30 m時(shí)，公路邊坡形式宜為折線式或臺(tái)階式，且臺(tái)階式邊坡平臺(tái)的寬度宜大于2 m。本次研究擬定不設(shè)平臺(tái)(0 m)以及設(shè)2、3、4、5 m和6 m平臺(tái)等6種工況(平臺(tái)均設(shè)5級(jí))，根據(jù)不同平臺(tái)尺寸建立路塹邊坡空間幾何模型。為削弱人為邊界條件對(duì)模擬結(jié)果的影響，邊坡坡腳以下取1個(gè)坡高長(zhǎng)度，坡腳左右水平寬度取2～3倍坡高長(zhǎng)度[14]。因此，本文建立了坡頂寬為90 m、坡高為40 m、邊坡底部到路中線寬為40 m、邊坡左右底邊界取至路面以下40 m的巖質(zhì)邊坡概化模型。

因在數(shù)值模擬中所采用的巖體彈性模量較大，屬剛性地基。因此，在模型底部施加的動(dòng)力荷載可為加速度的形式直接施加。因自由場(chǎng)邊界可模擬無(wú)限場(chǎng)效果，且向上的面波在巖體中傳播不會(huì)產(chǎn)生扭曲，更符合實(shí)際。因此，本次數(shù)值計(jì)算輸入的地震波采用向上的面波，地震力的作用方向與作用點(diǎn)位置見(jiàn)圖4。為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，本次數(shù)值計(jì)算在動(dòng)力分析時(shí)采用自由場(chǎng)邊界條件[5]。為使邊坡在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性及穩(wěn)定性更加直觀化，在坡體表面每級(jí)平臺(tái)處布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。自由場(chǎng)邊界條件見(jiàn)圖5。

圖4 邊坡概化模型(單位：m)

圖5 自由場(chǎng)邊界條件

根據(jù)前期調(diào)查，邊坡地層巖性多屬全～強(qiáng)風(fēng)化砂巖且呈砂土狀，巖體結(jié)構(gòu)屬碎裂結(jié)構(gòu)。唐樹(shù)名[15]根據(jù)模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，碎裂結(jié)構(gòu)巖體邊坡的破壞形式包括淺層破環(huán)和深層破壞，離開(kāi)坡面一定距離后，碎裂結(jié)構(gòu)巖體邊坡變形是連續(xù)的，呈現(xiàn)出似均質(zhì)巖體特征。因此，可用均質(zhì)巖體計(jì)算方法分析邊坡穩(wěn)定性。為簡(jiǎn)化數(shù)值計(jì)算，假定邊坡為各向同性的強(qiáng)風(fēng)化砂巖材料，計(jì)算模型采用莫爾-庫(kù)倫模型。

2.2 地震荷載

為探尋地震作用下邊坡動(dòng)力響應(yīng)特性，本文對(duì)歷史上小江斷裂帶的強(qiáng)震記錄(動(dòng)峰值加速度>0.4g)進(jìn)行詳細(xì)解譯，并截取其中1段作為動(dòng)力荷載，所施加的加速度幅值為0.4g，持時(shí)為8 s。為保證地震數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，通過(guò)Seismo Signal軟件進(jìn)行濾波處理和基線校正。地震加速度時(shí)程見(jiàn)圖6。

圖6 地震加速度時(shí)程

3 巖體動(dòng)力學(xué)參數(shù)研究

因巖土體特殊的物質(zhì)組分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造，工程力學(xué)性質(zhì)較為復(fù)雜，巖土體在不同形式的荷載作用下所表現(xiàn)出的工程性質(zhì)截然不同。巖土體在動(dòng)靜荷載作用下所表現(xiàn)出的力學(xué)性質(zhì)對(duì)工程設(shè)計(jì)具有至關(guān)重要的意義。本次研究中，考慮邊坡主要受地震作用影響，因此采用巖體動(dòng)參數(shù)進(jìn)行邊坡動(dòng)力響應(yīng)分析更加符合實(shí)際。

巖體力學(xué)特性從力學(xué)性質(zhì)上分為靜力學(xué)特性和動(dòng)力學(xué)特性，2種性質(zhì)都與巖體的物質(zhì)組構(gòu)與物理狀態(tài)有關(guān)，而巖體的靜力學(xué)性質(zhì)與動(dòng)力學(xué)性質(zhì)只是巖體不同的表現(xiàn)形式，存在一定的相關(guān)性[16]。為深入研究邊坡在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性及變化規(guī)律，依據(jù)馮德益[17]所提出的基于彈性波動(dòng)理論的巖體動(dòng)靜力學(xué)關(guān)系式，即

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，E為彈性模量；μ為剪切模量；v為泊松比；ρ為密度；Ed為動(dòng)彈性模量；vd為動(dòng)泊松比；vs為s波波速；vp為p波波速。

數(shù)值模型采用各向同性的均質(zhì)強(qiáng)風(fēng)化砂巖材料，巖體物理靜力學(xué)參數(shù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)獲取。通過(guò)彈性波動(dòng)理論的巖體動(dòng)靜力學(xué)關(guān)系式計(jì)算得到巖體動(dòng)彈性模量、動(dòng)泊松比。巖體的強(qiáng)度力學(xué)參數(shù)粘聚力及內(nèi)摩擦角因其離散性，導(dǎo)致參數(shù)變化較大，目前尚未找到其演化規(guī)律與動(dòng)靜參數(shù)之間的力學(xué)關(guān)系。本文巖體強(qiáng)度參數(shù)以靜力學(xué)試驗(yàn)獲取結(jié)果為計(jì)算參數(shù)進(jìn)行邊坡動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律研究。強(qiáng)風(fēng)化砂巖力學(xué)參數(shù)的綜合建議值見(jiàn)表1。

表1 強(qiáng)風(fēng)化砂巖力學(xué)參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)邊坡模型進(jìn)行自重應(yīng)力計(jì)算，以模擬邊坡的自然狀態(tài)。為進(jìn)一步了解邊坡在地震作用下的失穩(wěn)機(jī)理，需對(duì)邊坡在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性及變化規(guī)律進(jìn)行深入研究[18-20]。邊坡的動(dòng)力響應(yīng)包括加速度、位移、速度、塑性區(qū)、最大剪應(yīng)變等。其中，邊坡的加速度的反應(yīng)與變化規(guī)律是研究邊坡的動(dòng)力響應(yīng)特性的基本資料[5]；位移是否發(fā)生突變及塑性區(qū)、最大剪應(yīng)變的變化規(guī)律可作為邊坡是否發(fā)生失穩(wěn)破壞的判據(jù)[4]。因此，本文從加速度、位移、塑性區(qū)、最大剪應(yīng)變等幾方面對(duì)邊坡的動(dòng)力響應(yīng)特性與變化規(guī)律進(jìn)行深入研究。

4.1 加速度響應(yīng)

為分析邊坡坡體內(nèi)部各點(diǎn)在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，本文以PGA放大系數(shù)為研究因素。以坡體表面的任意監(jiān)測(cè)點(diǎn)動(dòng)力響應(yīng)加速度峰值與邊坡坡腳處監(jiān)測(cè)點(diǎn)(監(jiān)測(cè)點(diǎn)1)動(dòng)力響應(yīng)加速峰值的比值為PGA放大系數(shù)，選擇坡腳處為基準(zhǔn)點(diǎn)是為更好地反映出邊坡坡面的加速度響應(yīng)規(guī)律[5]。6種工況PGA放大系數(shù)見(jiàn)圖7。從圖7可知，不設(shè)平臺(tái)的PGA放大系數(shù)隨高程PGA放大系數(shù)整體呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，在1/5坡高和坡頂處增幅較大，PGA放大系數(shù)在坡頂達(dá)到最大，坡面中部增幅較小且在監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)減小波動(dòng)；而設(shè)置平臺(tái)后并不完全符合上述規(guī)律，PGA放大系數(shù)在第一級(jí)平臺(tái)處相較于坡腳較大，出現(xiàn)放大效應(yīng)；然而在坡體中段PGA放大系數(shù)卻隨著高程增加而減小，僅在坡頂處出現(xiàn)臨空放大效應(yīng)，說(shuō)明布設(shè)平臺(tái)可有效增加邊坡穩(wěn)定性，動(dòng)力加劇放大現(xiàn)象主要集中在坡頂與一級(jí)平臺(tái)處。因此，在地震作用下，邊坡變形破壞主要集中在坡頂與一級(jí)平臺(tái)處。

圖7 不同平臺(tái)寬度的PGA放大系數(shù)

PGA放大系數(shù)隨著平臺(tái)尺寸的增大而減小，與言志信[8]研究結(jié)果相似，證明了數(shù)值模型的合理性。這一現(xiàn)象是因地震波受到巖土體的阻尼衰減作用，隨著邊坡平臺(tái)尺寸的增加，減小了坡面和坡頂?shù)呐R空面，導(dǎo)致地震波自身的折射反射相互疊加耦合作用增大，衰減了地震波能量傳遞[21]。

4.2 邊坡塑性區(qū)

高地震烈度下不同平臺(tái)尺寸邊坡塑性區(qū)云圖見(jiàn)圖8。從圖8可知，隨著平臺(tái)尺寸的增加，邊坡塑性區(qū)范圍不同程度的縮小，并由開(kāi)始的坡體內(nèi)部拉張剪切破壞變?yōu)槠麦w表面破壞，大大減小了邊坡發(fā)生大面積失穩(wěn)破壞的可能性，坡頂?shù)睦瓘埶苄詤^(qū)面積也顯著減小，增加邊坡在地震作用下的穩(wěn)定性。未設(shè)置平臺(tái)、平臺(tái)寬度為2 m時(shí)，強(qiáng)震作用下邊坡坡體內(nèi)部的拉張-剪切塑性區(qū)與坡頂貫通，此時(shí)邊坡較危險(xiǎn)且易發(fā)生整體失穩(wěn)破壞。平臺(tái)寬度為3、4、5 m和6 m時(shí)，坡體的拉張-剪切塑性區(qū)并未與坡頂貫通，且塑性區(qū)趨于坡體表面并逐漸向平臺(tái)處移動(dòng)，坡腳處仍為地震作用下邊坡最薄弱處，應(yīng)在坡腳處設(shè)置適當(dāng)?shù)墓こ谭乐未胧?，以保障邊坡穩(wěn)定性。

圖8 高地震烈度下不同平臺(tái)寬度邊坡塑性區(qū)云圖

4.3 平臺(tái)寬度對(duì)最大剪應(yīng)變和位移的影響

邊坡動(dòng)力作用下最大剪應(yīng)變、最大位移與平臺(tái)寬度關(guān)系見(jiàn)表2。從表2可知，邊坡最大剪應(yīng)變隨著邊坡平臺(tái)寬度的增大而減小，最大剪應(yīng)變?cè)隽繌钠脚_(tái)寬度0 m時(shí)的9.307×10-2減小到平臺(tái)寬度為6 m 時(shí)的1.643×10-3，減小了1個(gè)數(shù)量級(jí)，表明設(shè)置平臺(tái)有利于提高邊坡地震動(dòng)力穩(wěn)定性。在邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，可選取合理的平臺(tái)寬度來(lái)提高邊坡穩(wěn)定性。相較于不設(shè)平臺(tái)，2 m寬平臺(tái)在峰值加速度0.4g的情況下，坡腳位移量有一個(gè)明顯減小的過(guò)程，不設(shè)平臺(tái)的最終最大位移為400 mm，設(shè)置2 m平臺(tái)的最大位移為350 mm，減少了50 mm，說(shuō)明設(shè)置平臺(tái)在高地震烈度下能起到一定的抗震效果并減少了部分位移量，但由于地震烈度較大，2 m寬平臺(tái)不足以讓位移量減少到可控范圍內(nèi)。隨著邊坡平臺(tái)寬度的增加，水平方向最大位移量逐漸降低，4 m寬平臺(tái)對(duì)高地震烈度下的位移量有著比較顯著減少的效果(位移量從3 m寬平臺(tái)的315 mm減少到235 mm，減少了80 mm)，設(shè)置5 m和6 m平臺(tái)時(shí)依然對(duì)減小位移量有效，但減少幅度趨于平緩。說(shuō)明寬度越大抗震效果越好，但亦存在最佳抗震平臺(tái)寬度。本次計(jì)算結(jié)果以4 m為最佳抗震平臺(tái)寬度，可為后期的抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

表2 最大剪應(yīng)變、最大位移與平臺(tái)寬度關(guān)系

計(jì)算終態(tài)時(shí)，4 m寬平臺(tái)動(dòng)力作用下剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D見(jiàn)圖9。從圖9可知，在地震作用下，邊坡坡體內(nèi)部受剪切破壞，邊坡可隨著坡體內(nèi)部某一圓弧滑面滑動(dòng)，且剪應(yīng)力主要集中在坡腳處，地震作用下邊坡坡腳更易發(fā)生破壞，故加固措施應(yīng)布設(shè)在坡腳處。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)際地震破壞過(guò)程及破壞模式相似[22]。計(jì)算終態(tài)時(shí)，4 m寬平臺(tái)動(dòng)力作用下位移云圖見(jiàn)圖10。從圖10可知，在地震作用下，邊坡坡面尤其是坡腳處位移最大，與土質(zhì)邊坡在地震荷載下的計(jì)算結(jié)果相似[5]。究其緣由，因模型材料以強(qiáng)風(fēng)化砂巖為主，巖體強(qiáng)度接近土質(zhì)材料，故處于坡腳處。同時(shí)，最大位移處于坡腳處這一現(xiàn)象可與剪應(yīng)變計(jì)算結(jié)果相互驗(yàn)證，同時(shí)說(shuō)明計(jì)算模型的合理性。

圖9 動(dòng)力作用下剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖10 動(dòng)力作用下位移云圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于FLAC3D軟件建立巖質(zhì)邊坡概化模型，對(duì)小江斷裂帶地震波作用下多級(jí)平臺(tái)不同寬度的邊坡動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

(1)隨著多級(jí)巖質(zhì)邊坡的平臺(tái)寬度的加大，坡面動(dòng)力響應(yīng)減弱，水平加速度減小。在地震作用下，邊坡發(fā)生變形破壞主要發(fā)生在一級(jí)平臺(tái)與坡頂處。設(shè)置平臺(tái)更有利于巖質(zhì)邊坡的抗震穩(wěn)定性。

(2)隨著平臺(tái)寬度的增加，最大剪應(yīng)力帶和塑性區(qū)從不設(shè)平臺(tái)的單一貫通區(qū)域分解為集中于各級(jí)平臺(tái)的多個(gè)局部區(qū)域，減小了坡腳處的應(yīng)力集中，提高了邊坡的穩(wěn)定性。隨著平臺(tái)尺寸的增大，邊坡從整體破壞模式逐步改變?yōu)榫植科茐哪Ｊ?。其中，設(shè)置4 m寬平臺(tái)的水平位移量、最大剪應(yīng)力減幅較之其他平臺(tái)寬度最大，將4 m作為有效平臺(tái)寬度。