地震荷載作用下高速公路挖方高邊坡穩(wěn)定性研究

范喜安

( 保定市張涿高速公路籌建處，河北 保定 071051)

邊坡地震穩(wěn)定性分析的常用方法有規(guī)范推薦的擬靜力法、Newmark 分析法、動(dòng)力分析方法等。Terzaghi 最先提出了擬靜力法，隨后便廣泛應(yīng)用于巖土工程分析，因?yàn)閿M靜力法簡(jiǎn)單實(shí)用，在地震邊坡分析中得到了廣泛應(yīng)用，從而積累了大量的工程經(jīng)驗(yàn)并被編入有關(guān)規(guī)范［1］;鄭穎人全面分析了邊坡在地震荷載作用下穩(wěn)定性問(wèn)題［2］。李海波等通過(guò)離散元分析了不同折減系數(shù)下邊坡特性，以速度或者位移發(fā)散前的折減系數(shù)作為邊坡的地震安全系數(shù)［3］;戴妙林對(duì)不同折減系數(shù)下邊坡進(jìn)行了分析，把邊坡處于臨界穩(wěn)定的折減系數(shù)定義為邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)［4］。鄭穎人等考慮了地震荷載作用下的拉破壞，采用FLAC 強(qiáng)度折減法，對(duì)地震邊坡破壞機(jī)制進(jìn)行了數(shù)值模擬［5］。

一般認(rèn)為，邊坡的靜力穩(wěn)定性分析方法已較成熟，但邊坡在地震荷載作用下的穩(wěn)定性問(wèn)題，尤其是工程應(yīng)用，尚有探討空間。

基于以上分析，考慮到地震邊坡破壞的機(jī)制，以京化高速公路挖方高邊坡為研究背景，根據(jù)實(shí)地采樣試驗(yàn)所確定的邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)，采用擬靜力法+強(qiáng)度折減的方法，利用有限元軟件ABAQUS，通過(guò)對(duì)邊坡在地震荷載作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究，進(jìn)而為邊坡的加固提供了依據(jù)。

1 邊坡工程地質(zhì)條件分析

土木至膠泥灣高速公路是北京至化稍營(yíng)國(guó)家重點(diǎn)公路的重要組成部分，位于張家口市中南部。

1．1 地層巖性

邊坡上覆巖層為第四系土層，主要為第四系松散堆積土層，成分以砂層、砂礫石和卵礫石為主，局部為粉土、軟土，厚約10 m。

基巖主要為沉積巖和火成巖，沉積巖為中生界侏羅系的紫色安山巖以及凝灰質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r、角礫巖。

高校要普及網(wǎng)絡(luò)安全知識(shí)，教育大學(xué)生學(xué)會(huì)獨(dú)立思考問(wèn)題，理性對(duì)待網(wǎng)絡(luò)信息，不發(fā)表違背主流價(jià)值觀的網(wǎng)絡(luò)言論，不做網(wǎng)絡(luò)信謠者和傳謠者。高校還要增強(qiáng)大學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)法治意識(shí)，指導(dǎo)大學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)法律法規(guī)，并善于運(yùn)用法律武器與各種網(wǎng)絡(luò)違法犯罪行為作斗爭(zhēng)，自覺(jué)維護(hù)法律的權(quán)威和尊嚴(yán)，創(chuàng)造更加清朗的法治化網(wǎng)絡(luò)空間。

火成巖為白堊紀(jì)花崗巖安山集塊巖。

1．2 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)內(nèi)大地構(gòu)造特征及區(qū)域穩(wěn)定性主要受中朝準(zhǔn)地臺(tái)控制，中晚元古代時(shí)期為地臺(tái)型沉積，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為以升降運(yùn)動(dòng)為主，且差異升降明顯。整個(gè)燕山臺(tái)褶帶是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)烈的局部地槽區(qū); 新生代末期該區(qū)處于區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定活動(dòng)的過(guò)渡地帶。進(jìn)入新生代以后，基地?cái)嗔阎匦禄顒?dòng)和產(chǎn)生一些新的斷裂和褶皺，有較強(qiáng)烈的巖漿活動(dòng)與地震活動(dòng)，地殼活動(dòng)性顯著加強(qiáng)。沿這些活動(dòng)性斷裂部位發(fā)生過(guò)多次地震活動(dòng)，區(qū)內(nèi)新構(gòu)造活動(dòng)較強(qiáng)烈，表現(xiàn)為大面積的升降活動(dòng)及突發(fā)性的地震活動(dòng)。

1．3 地震

線路區(qū)及附近區(qū)域斷層發(fā)育，地震多次發(fā)生，歷史上屬中強(qiáng)地震多發(fā)生地區(qū)，有記載以來(lái)曾發(fā)生5 級(jí)以上地震10 次。最大一次發(fā)生在1720 年，震中位于懷來(lái)附近，里氏震級(jí)6．8 級(jí)，震中烈度達(dá)Ⅸ?？v觀上述特征，線路布線地區(qū)屬于地殼穩(wěn)定性較差地區(qū)。

2 邊坡工程巖體力學(xué)參數(shù)研究

京華高速公路K34 +840 ～K35 +100 段為深路塹段，最大挖方深度為41 m，挖方地層上部為侏羅系九龍山組全風(fēng)化安山集塊巖，下部為九龍山組強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化安山集塊巖和燕山期全、強(qiáng)風(fēng)化花崗斑巖，局部為強(qiáng)風(fēng)化泥巖，巖體較完整，土石方施工等級(jí)為Ⅲ級(jí)硬土、Ⅳ級(jí)軟石、Ⅴ級(jí)次堅(jiān)石。

通過(guò)對(duì)工程地質(zhì)條件調(diào)查，結(jié)合巖芯室內(nèi)試驗(yàn)成果，利用Hoek-Borwn 準(zhǔn)則評(píng)價(jià)巖體所需的基本參數(shù)。結(jié)合地質(zhì)力學(xué)分類(lèi)以及地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI 的確定方法，擬合《工程巖體質(zhì)量分級(jí)》中BQ 指標(biāo)與RMR 指標(biāo)之間的關(guān)系，利用BQ 指標(biāo)估算巖體彈性模量。

首先用極大似然估計(jì)法對(duì)巖塊的基本物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行回歸分析，再通過(guò)對(duì)巖體質(zhì)量分級(jí)以及地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算出Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則所需基本物理量，進(jìn)而確定邊坡巖體的工程巖體力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 邊坡工程巖體力學(xué)參數(shù)

3 基于ABAQUS 的三維數(shù)值模型的建立

借助有限元分析軟件ABAQUS 建立三維有限元仿真模型，對(duì)邊坡在地震荷載作用下的坡的位移和應(yīng)力進(jìn)行分析，以便對(duì)邊坡加固形式和參數(shù)提供依據(jù)。

3．1 地質(zhì)模型

根據(jù)工程地質(zhì)剖面圖，考慮到風(fēng)化作用對(duì)巖體參數(shù)的影響較大，將巖體以此分為強(qiáng)風(fēng)化安山集塊巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)頁(yè)巖以及強(qiáng)風(fēng)化花崗斑巖等力學(xué)單元，且各單元均概化為均質(zhì)、各向同性介質(zhì)。層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶和裂隙采用適當(dāng)降低巖體力學(xué)參數(shù)的辦法來(lái)考慮。

3．2 力學(xué)模型

根據(jù)邊坡巖體的工程地質(zhì)力學(xué)特性，巖體材料采用理想彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則，該模型不僅適用于破壞前后的巖體，而且能夠很好地反映巖體的塑性、變形等重要特性，計(jì)算結(jié)果能更好地反映巖體的實(shí)際工作狀態(tài)。

在主應(yīng)力空間中，Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則可以表示為一不等角的六棱錐體，在平面上為不等角的六邊形，其屈服函數(shù)的表達(dá)式為

式中，J1為應(yīng)力張量第一不變量;J2為應(yīng)力張量第二不變量; θσ為應(yīng)力Lode 角，其取值范圍為Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則充分考慮了巖土材料拉壓不等的特性，適合該邊坡的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

3．3 數(shù)學(xué)模型

模型邊坡高度為30 m，分為兩層，每層邊坡高度為15 m，邊坡坡度為1∶ 1，垂直邊界總高為50 m，水平邊界長(zhǎng)度為75 m，在Z 方向縱深取25 m。模型各模塊從上至下依次模擬強(qiáng)風(fēng)化安山集塊巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)頁(yè)巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗斑巖。其模型如圖1 所示。

模型的縱深方向取3 m 作為有限元分析模型，其模型圖如圖2 所示。該模型有6 303 個(gè)單元。模型底部為固定約束邊界，左右兩側(cè)約束X 方向自由度，前后面約束Z 方向自由度。

圖1 邊坡概化的有限元模型

4 地震荷載作用下邊坡穩(wěn)定性分析

4．1 地震荷載作用下邊坡穩(wěn)定性分析方法

地震邊坡破壞的原因主要是因?yàn)閹r土體的剪切破壞以及拉破壞，因此采用擬靜力法+強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

基于拉-剪破壞的動(dòng)力時(shí)程分析法是在動(dòng)力有限元時(shí)程分析法的基礎(chǔ)上，考慮邊坡的剪切破壞與拉破壞，對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)與抗拉強(qiáng)度參數(shù)同時(shí)進(jìn)行折減，得到邊坡在地震力作用下的由拉裂縫和剪切滑移面共同組成的破壞面。其折減關(guān)系如下

式中，c、φ、σt為折減前巖體粘聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度;F 為折減系數(shù);c′、φ′、σt′為折減后巖體粘聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，線路所穿越的涿鹿縣( K31 +793 ～K33 +981、K34 +101 ～+250、K34 +965 ～K38 + 080 段) 抗震設(shè)防烈度為8 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0．20g; 下花園區(qū)( K33 +981 ～K34 +101、K34 +250 ～K34 + 968 段) 和宣化縣( K38 +080 ～K71 +332 段) 抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0．15g。

4．2 數(shù)值模擬結(jié)果

在地震力作用下邊坡的位移變形規(guī)律如圖2 和圖3 所示。

圖2 X 方向位移圖

圖3 Y 方向位移圖

由圖2 和圖3 可知，在地震力作用下，X 方向的位移是邊坡臨近破壞時(shí)位移的1．29 倍，出現(xiàn)最大位移區(qū)的范圍也較破壞時(shí)增大了許多，各層位移的數(shù)值也隨之增大，縱向位移略微增大。在地震力作用下主要發(fā)生X 方向位移的改變，對(duì)Y 方向的位移影響較小。

圖4 X-Y 平面剪應(yīng)力分布圖

在地震力作用下，X-Y 平面的剪應(yīng)力、最小主應(yīng)力與等效塑性應(yīng)變圖如圖4、圖5 和圖6 所示。

圖5 最小主應(yīng)力分布圖

由圖4、圖5 和圖6 可以看出，在地震力作用下，X-Y 平面內(nèi)的剪應(yīng)力是破壞時(shí)剪應(yīng)力的1．4 倍，最小主應(yīng)力減小，巖層之間的橫向位移增大，說(shuō)明地震發(fā)生時(shí)邊坡主要發(fā)生剪切破壞。此外，最大塑性區(qū)的分布范圍也較以前廣泛，在邊坡巖體的上部?jī)?nèi)側(cè)出現(xiàn)了塑性區(qū)的貫通，在巖體下部?jī)?nèi)側(cè)也出現(xiàn)了塑性區(qū)。說(shuō)明地震發(fā)生后，整個(gè)巖體的穩(wěn)定性降低，邊坡極易失穩(wěn)。

由邊坡的X 方向位移與強(qiáng)度折減系數(shù)的關(guān)系可以得到邊坡的安全系數(shù)，如圖7 所示。

圖6 等效塑性應(yīng)變圖

圖7 強(qiáng)度折減系數(shù)與X 方向最大位移關(guān)系圖

由圖7 可以看出，地震力作用下，安全系數(shù)在0．65 以前邊坡位移幾乎不發(fā)生改變，在0．65 與0．80 之間邊坡的位移增加緩慢，邊坡開(kāi)始出現(xiàn)塑性區(qū)破壞，在0．80 與0．85 之間位移迅速增長(zhǎng)，邊坡失穩(wěn)，此時(shí)邊坡的安全系數(shù)為0．85，邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)，需要進(jìn)行加固。

5 結(jié)論

(1) 地震荷載是觸發(fā)邊坡失穩(wěn)的主要原因之一，很多高邊坡都受到地震影響。因此在地震高發(fā)區(qū)，在分析邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行邊坡加固的時(shí)候需要考慮地震力的作用。

(2) 以京華高速公路挖方高邊坡為例進(jìn)行了研究。對(duì)其工程地質(zhì)條件進(jìn)行了詳細(xì)的分析，在野外工程地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合典型工程地質(zhì)單元，利用室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，依此確定了巖體的工程巖體力學(xué)參數(shù)，為工程巖體力學(xué)參數(shù)的選取提供了正確思路和方法。

(3) 通過(guò)有限元軟件ABAQUS，建立了三維數(shù)值仿真模型。在試驗(yàn)區(qū)地震特點(diǎn)研究的基礎(chǔ)上，取地震加速度值0．15g，采用擬靜力法+強(qiáng)度折減的方法，分別模擬了地震力作用下邊坡的位移變形及主應(yīng)力分布規(guī)律，計(jì)算了邊坡的安全系數(shù)。

(4) 地震邊坡破壞的原因主要是因?yàn)閹r土體的剪切破壞以及拉破壞，在充分考慮邊坡破壞機(jī)制的條件下，采用擬靜力法+強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析是可行的，結(jié)論是可靠的。

［1］中國(guó)建筑科學(xué)研究院． GB5001l—2001 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］． 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001．

［2］鄭穎人，葉海林，黃潤(rùn)秋，等． 邊坡地震穩(wěn)定性分析探討［J］． 地震工程與工程震動(dòng)，2010，30(2) : 173-180．

［3］李海波，肖克強(qiáng)，劉亞群． 地震荷載作用下順層巖質(zhì)邊坡安全系數(shù)分析［J］． 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26( 12) :2385-2394．

［4］戴妙林，李同春． 基于降強(qiáng)法數(shù)值計(jì)算的復(fù)雜巖質(zhì)邊坡動(dòng)力穩(wěn)定性安全評(píng)價(jià)［J］． 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26( 增1) : 2749-2754．

［5］鄭穎人，葉海林，黃潤(rùn)秋． 地震邊坡破壞機(jī)制及其破裂面的分析探討［J］． 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(8) : 1714-1723．