基于FLAC3D地震及降雨工況下邊坡變形破壞特征分析

鄭麗華

(陽谷縣城鄉(xiāng)供水服務(wù)中心,山東 聊城 252300)

0 引言

隨著“一帶一路”項目的實施,鐵路公路邊坡穩(wěn)定性對工程建設(shè)的影響日益突出。我國西南山區(qū)屬于地震多發(fā)帶,且降雨頻繁,地震及降雨是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的重要因素,因此,研究邊坡在地震及降雨條件下的失穩(wěn)機(jī)制及穩(wěn)定性,對“一帶一路”工程建設(shè)具有重要意義[1-2]。地震對邊坡穩(wěn)定性影響主要表現(xiàn)在兩個方面,一是地震周期震動對邊坡潛在滑動面上抗滑結(jié)構(gòu)的破壞,二是地震產(chǎn)生的慣性力作用在滑體上,增大下滑力[3-4]。言志信等[5]采用有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件,通過檢測邊坡土體位移、切應(yīng)變等參數(shù),分析巖土體在地震作用下的破壞過程,研究結(jié)果表明,地震邊坡的破壞主要是地震慣性力造成的;李萌等[6]采用三維離散元數(shù)值模擬技術(shù),對外傾巖質(zhì)邊坡在地震作用下的失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行研究,結(jié)果表明,在地震荷載下,坡面各監(jiān)測點PGA放大系數(shù)在超過1/2邊坡高度以上急劇增大;

以上研究均為對邊坡單一作用下的響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究,對于降雨及地震共同作用下的影響研究較少。本文某邊坡為例,采用數(shù)值模擬軟件FLAC3d分別研究降雨及地震作用下的變形破壞特征,為相關(guān)邊坡的地震動力學(xué)設(shè)計提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)屬于高山峽谷地貌。區(qū)內(nèi)年平均降水量為1 120 mm,年平均降雨天數(shù)為145 d,主要集中在每年的5-8月。年平均氣溫17.2℃,一月平均氣溫3.2℃,七月平均氣溫28.5℃。

根據(jù)現(xiàn)場勘察及鉆探結(jié)果,該滑坡區(qū)內(nèi)地層主要地層為巖性和厚度穩(wěn)定的三疊系海陸交替相碳酸鹽巖及部分碎屑巖地層,厚度約240～400 m?；滤诘仄骄０螢? 780 m,滑源區(qū)頂部高程1 968 m,底部高程1 712 m,相對高差約256 m(圖1)。

圖1 滑坡示意圖

如圖1所示,該滑坡溝谷成“V”形,谷底分界線從滑源區(qū)右側(cè)中間位置向坡腳延伸,平均坡降比為0.55,溝谷左側(cè)滑體坡面傾角為42°,滑體體積約3.21×105m3,由第四系坡積物及泥石流堆積層組成,主要構(gòu)成物質(zhì)粉質(zhì)黏土,灰?guī)r等組成,下伏基巖為玄武巖。各部分巖土體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各巖土層物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模擬分析

模型長300 m,高度180 m,采用三角形網(wǎng)格劃分,坡面用30×30個關(guān)鍵節(jié)點控制地表起伏形態(tài)特征,相鄰關(guān)鍵節(jié)點距離為8 m,在地表滑動面附近增加網(wǎng)格密度,以提高計算結(jié)果準(zhǔn)確度,累計劃分網(wǎng)格單元31 000個。采用強(qiáng)度折減法,考慮在地震工況和降雨工況下,該邊坡的位移及應(yīng)力分布規(guī)律。

2.1 強(qiáng)度折減法

采用強(qiáng)度折減法計算邊坡安全系數(shù)(Fs)公式如式(1)所示:

Fs=F抗滑/F下滑

(1)

式中:F抗滑為邊坡抗滑力,KN;F下滑為邊坡下滑力,KN

強(qiáng)度折減法通過同時按比例降低巖土體力學(xué)參數(shù)c和φ,直至邊坡發(fā)生破壞,此時的折減系數(shù)即為邊坡的安全系數(shù)Fs。

2.2 地震工況

采用彈塑性本構(gòu)模型,設(shè)置最大不平衡力為80,以確保計算結(jié)果的穩(wěn)定性,設(shè)置時間步長為1×10-3,阻尼系數(shù)為0.1。計算模型采用地震波如圖2所示,該地震波峰值加速度為0.15 g。

圖2 計算模型地震波形圖

2.3 降雨工況

降雨通過斜坡表面裂隙滲入坡體內(nèi)部后,導(dǎo)致潛在滑面巖土體軟化,力學(xué)強(qiáng)度降低,且降雨增加坡體自重,導(dǎo)致下滑力增大。本模擬中,考慮10 mm/d的降雨量條件下斜坡變形破壞特征。在降雨工況計算時采用彈塑性本構(gòu)模型計算初始地應(yīng)力場,然后考慮滲流作用下的動力模型,使用Slove Fos命令對邊坡位移及安全系數(shù)進(jìn)行求解。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 不同工況下邊坡變形特征分析

圖3為地震工況及降雨工況下,邊坡剖面位移云圖。

圖3 兩種工況下邊坡剖面位移云圖

如圖3(a)所示,地震工況下邊坡在坡腳處位移較大,位移值為4.1×10-2～4.1×10-2m,從剖面圖中可以看出,該邊坡坡頂處位移較小,在0～2.6×10-2m之間土層部分較穩(wěn)定,由坡面向內(nèi)部位移值逐漸降低。該剖面位移相對較大區(qū)域主要分布在高程1 520～1 610 m范圍內(nèi),在坡腳處最大位移值約4.4×10-2m,說明在坡腳處發(fā)生了應(yīng)力集中,首先發(fā)生破壞。

圖3(b)降雨工況下,位移發(fā)生在淺層坡面處,潛在滑動面深度約20～30 m。坡面處位移最大約1.2×10 m,其位移相對較大區(qū)域分布在1 510～1 650 m范圍內(nèi),降雨工況下總位移最大值為17 m。與天然工況下位移相比,變形區(qū)域范圍增大,與實際情況相吻合。

3.2 不同工況下邊坡切應(yīng)變數(shù)值模擬結(jié)果分析

大量工程實例及數(shù)值模擬分析結(jié)果表明,可通過邊坡不同位置剪應(yīng)變來判斷坡體變形破壞部位,剪應(yīng)變集中區(qū)域通常為邊坡破壞較明顯部位,其穩(wěn)定性較差。圖4為地震及降雨工況下邊坡切應(yīng)變云圖。

圖4 降雨及地震工況下切應(yīng)變云圖

如圖4(a)所示,地震工況下,坡體潛在滑動面切應(yīng)變范圍在2.2×10-4～2.5×10-4內(nèi),其分布與巖性分界面相對一致,表明受地震作用下,斜坡巖土體整體松散,穩(wěn)定性降低,斜坡下滑趨勢明顯。

圖4(b)降雨工況下,斜坡潛在滑動面切應(yīng)變范圍在1.3×10-4～1.5×10-4之間,沿土巖分界面像坡腳處延伸,且坡體中、下部應(yīng)變增量集中。與天然條件下相比,切應(yīng)變明顯增大,增大位置由坡頂處向中、下部轉(zhuǎn)移。數(shù)值分析結(jié)果表明,在降雨工況下邊坡穩(wěn)定性下降明顯,處于次穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 斜坡監(jiān)測點位移時程分析

圖5為邊坡內(nèi)不同監(jiān)測點P1,P2,P3,P4位移隨時間變化情況。

圖5 監(jiān)測點時程曲線圖

由圖5所示,P2,P3點豎向位移變化趨勢較為接近,在0.2 s時呈現(xiàn)下降趨勢,隨后線性上升至最高點,P3點豎向位移在整個模擬過程中均高于P2點。P1點豎向位移變化趨勢與P2,P3接近,隨著時間推移,P2,P3點與P1變化差距增大。P4點豎向位移時程曲線與P1,P2,P3點差別較大,在2.0 s內(nèi)處于負(fù)向位移區(qū),呈線性降低,在2.0 s時,P1,P2,P3,P4監(jiān)測點位移分別為0.12 m,0.19 m,0.9 m,-0.32 m。

根據(jù)以上分析可知,位移時程變化曲線歲高程增加,有一定的滯后效應(yīng),隨著距地面高度增加,位移時程曲線近似為線性。坡腳處監(jiān)測點P4位移為負(fù)值,表明地震作用下該處產(chǎn)生擠壓作用導(dǎo)致位移負(fù)向增加,其他監(jiān)測點位移為正值,表明該區(qū)域所受應(yīng)力為拉應(yīng)力,有滑動趨勢。

4 結(jié)語

本文采用FLAC3d有限差分軟件,對某水庫邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析,模擬降雨及地震工況條件下,邊坡的變形破壞情況,主要結(jié)論如下:

(1)地震條件下,坡體潛在滑動面切應(yīng)變范圍為2.2×10-4～2.5×10-4,邊坡在坡腳處位移值最大,約為4.4×10-2m,說明在坡腳處發(fā)生了應(yīng)力集中,首先發(fā)生破壞。

(2)降雨工況下,位移發(fā)生在淺層坡面處,其位移相對較大區(qū)域分布在1 510～1 650 m范圍內(nèi),總位移最大值為17 m。

(3)邊坡在地震及降雨條件下,坡面最大位移隨高程增加而增大,在坡腳處位移為負(fù)值,處于壓縮狀態(tài)。研究結(jié)果對于相關(guān)公路邊坡工程的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。