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 土木建筑學院， 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 土木建筑學院， 重慶400074)

摘要：應用地震對高邊坡的破壞機理，以重慶渝中區(qū)洋河小學頭塘校區(qū)旁邊的高邊坡為研究對象，對地震荷載下高邊坡的穩(wěn)定性進行分析.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力變化規(guī)律.由分析結果可知：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)的計算可為其加固提供可靠的理論依據(jù).

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

我國是一個多山的國家，因而客觀上決定了我國有大量的邊坡；同時我國還是一個地震多發(fā)的國家，西部地區(qū)是主要的強震區(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滑塊分析法及動力分析法等.Terza-ghi最先提出擬靜力法，由于其簡便適用，在分析地震荷載對高邊坡作用中得到廣泛應用，并積累了豐富的工程經(jīng)驗，被編入有關規(guī)范[3].由于此方法在靜力荷載下采用靜力方法求得，沒有表現(xiàn)出地震的動力特性，因而只能作為一般經(jīng)驗性的方法.Newmark滑塊分析法目前被許多國家應用[4]，但由于缺乏破壞準則，無法判斷穩(wěn)定性.動力分析法是把每一時刻的動荷載當作靜荷載，按照靜力方法求得每一時刻的安全系數(shù)，繪制成安全系數(shù)時程曲線[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，尤其是工程應用上還有許多問題有待解決.因此，利用地震對高邊坡破壞的機理，以重慶渝中區(qū)洋河小學頭塘校區(qū)旁的高邊坡為研究背景，現(xiàn)場采集樣品，試驗求得力學參數(shù)，并利用有限元軟件MIDAS/GTS，對高邊坡在地震荷載作用下的穩(wěn)定性進行分析與研究.

1高邊坡地質背景

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

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，巖性為灰色巖屑長石砂巖、長石砂巖、紫灰色中-厚層狀泥巖、含葉肢介、介形蟲化石.

2)地質構造.位于新華夏系四川沉降區(qū)川東南弧形構造帶、華鎣山帚狀褶皺束和宣漢-重慶平行褶皺束過度帶的重慶復向斜部位，其構造骨架形成于燕山晚期褶皺運動.構造形跡從東向西依次為：東西兩側分別為南溫泉和觀音峽緊密背斜，中部為重慶復向斜.重慶復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，并向南轉為SN向.區(qū)內(nèi)褶皺均為緩傾沒的平緩開闊式，軸部、翼部均由上沙溪廟組砂巖、泥巖組成，褶皺傾沒角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級地震；1970—1980年的10年內(nèi)發(fā)生27次小地震，震級最大為4級；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級小地震，同年11月20日發(fā)生5.4級地震，主城區(qū)約40 km外有感.

重慶地區(qū)新構造運動以不均衡間歇性抬升為主，在兩江沿岸斷續(xù)分布多級陡崖與階地.這些陡崖底部標高可與Ⅲ~Ⅳ級階地標高大致對應，說明陡崖的分布與江河的沖刷切割具有密切的相關性.

2高邊坡工程的巖體力學參數(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.通過對工程地質條件調查，并結合巖芯室內(nèi)試驗成果，確定高邊坡巖體力學參數(shù).具體見表 1.

表1　高邊坡工程巖體力學參數(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，對地震荷載作用下高邊坡的坡的位移和應力進行分析，旨在對高邊坡加固提供理論依據(jù).巖質邊坡如圖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屈服準則

圖1　巖質邊坡示意圖　　　　　　　　圖2　輸入X方向地震的水平加速度曲線

根據(jù)邊坡巖體的地質力學特性，采用Mohr-Coulomb 強度準則作為屈服準則，采用理想彈塑性簡化巖體的材料.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，所得結果較好地反映了高邊坡的實際狀態(tài).

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

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

Mohr-Coulomb強度準則考慮了巖石拉壓不等的性質，適合高邊坡的應力和應變關系.

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.

模型簡化：底部為固定約束邊界，左右兩側約束X方向自由度，如圖3所示.

4數(shù)值模擬結果

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位移的1.5倍，均沿X方向的負方向；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)域較破壞前擴大了；地震荷載作用下主要沿X方向位移的改變，對Y方向的位移相對較小，而且位移的比值是幾何級數(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平面剪應力、最小主應力和等效塑性圖.

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)邊坡的剪應力為破壞前1.3倍，而最小主應力卻較破壞前減小，軟巖和硬巖之間的橫向位移變大，軟巖兩側的硬巖應力變化差別明顯.這些說明地震發(fā)生時高邊坡主要發(fā)生剪切破壞.在軟巖夾層兩側塑性區(qū)出現(xiàn)了貫通，說明軟巖夾層對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平面剪應力圖　　　　　　　　　　圖7　最小主應力圖

圖8　等效塑性圖

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

5結語

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.考慮到地震對高邊坡破壞機制，故而利用強度折減法對高邊坡安全性進行分析.從結果看，數(shù)據(jù)是可行的，結論是可靠的.

參考文獻：

[1] 洪海春,徐衛(wèi)亞.地震作用下巖質邊坡穩(wěn)定性分析綜述[J].巖石力學與工程學報,2005,24(1):4827-4836.

[2] 趙要軍,陳安.公共財政應急支持體系構件——以云南大姚地震為例[J].西北地震學報,2008,30(2)：113-116.

[3] GB 5001l—2001,建筑抗震設計規(guī)范[S].

[4] Newmark N M.Effects of earthquakes on dams and embankments[J].Geotechnique,1965,15(2):139-160.

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

(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：U416.1+4

文獻標志碼：A

文章編號：1674-358X(2015)01-0052-04

作者簡介：王成(1962-)，男，重慶人，教授，博士，碩士生導師，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.