不同地震荷载作用下边坡稳定性研究*

汪旭涛 李 恒 王 平

(中国地震局地震研究所(地震大地测量重点试验室)，武汉 430071)

不同地震荷载作用下边坡稳定性研究*

汪旭涛 李 恒 王 平

(中国地震局地震研究所(地震大地测量重点试验室)，武汉 430071)

介绍地震荷载对边坡动力响应分析的基本原理和计算方法，结合秭归县郭家坝边坡实例，分别采取不同地震荷载的时程数据，直接输入有限元软件计算，获得了不同地震荷载作用下边坡位移、剪应力等动力响应。

边坡;稳定性;地震荷载;时程分析;动力响应

1 引言

地震诱发的岩质边坡破坏是常见的地震灾害，特别是在山区和丘陵地带，其数量多、分布广、危害大。地震引发边坡失稳问题一直是岩土工程界学者关注的重、难点之一。

目前分析地震荷载对边坡稳定性问题的方法主要有拟静力法和有限单元法，拟静力法未考虑边坡受力的动态特征，有限单元法可很好地弥补一缺陷。

本文采用有限单元法，将边坡从深部基岩切割出来，通过边界条件建立动力平衡方程，采用地震动力时程数据直接导入有限元软件分析计算［1］。

2 地震荷载计算分析理论

根据边坡体结构模型，按连续介质建立动力平衡方程［2］:

式中，uxg(t)、uyg(t)、分别为水平与竖向地震加速度。

直接用数值积分的方法求解方程(1)得到边坡动力响应后的剪应力场和剪应变场。

3 工程概况

选取湖北省秭归县郭家坝岩质边坡为例进行分析，该边坡系公路开挖形成，坡面见局部掉块、小规模塌滑等变形破坏现象，整体处于稳定状态。边坡规模较大，危害对象较多，是秭归县规划移民Ⅲ标段重点须治理的边坡之一。

3.1 工程地质条件

边坡由侏罗系香溪组泥页岩、砂岩或泥页岩与砂岩互层组成，岩层产状多变，与边坡关系较复杂，边坡结构多变，以岩质斜交坡为主。边坡长420 m，边坡高约8～13 m不等，坡角多集中在45°左右。

边坡区域地下水不丰富，主要为浅部第四系孔隙水及深部基岩裂隙水。

3.2 区域地质背景

该边坡位于秭归盆地，系侏罗系组成的向斜盆地，向斜槽部侏罗系地层产状平缓，一般小于20°，翼部产状变陡，一般30°～40°，局部可达 60°～70°。根据盆地东缘地层接触关系，构造特征，结合区域地质分析，推测盆地东侧边界主要为拗折型。

该场地抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为 0.05 m/s2。

历史近期对该边坡有影响的主要地震记录为:1979年秭归龙会观5.1级地震、2008年秭归屈原镇4.1级地震［3］。本次模拟计算主要是反演出这两个地震动时程曲线，外加一条人工拟合地震时程曲线，分别导入模型进行计算分析。

4 模型的建立

该边坡自形成以来未发现明显的变形破坏迹象，整体处于稳定状态。在工程地质分析基础上，着重分析不同地震荷载对该边坡稳定性的影响。

由于地震荷载对边坡稳定性影响计算尚处于探索阶段，故将该边坡简化为均质、连续的弹性模型，并将地震荷载视为影响和控制边坡稳定性的主要因素，模型水平方向为水平单向约束，基底为固定约束。

有限元计算采用Geo-slope公司的Quake/W进行，选取一代表性的典型边坡剖面。其岩土材料由一种材料组成，其动弹性模量为17.8 GpPa，泊松比为0.2，阻尼比为0.1。模型图如图1。

图1 边坡地震模型Fig.1 Model of the slope seismic

5 地震荷载对边坡稳定性影响分析

5.1 不同地震荷载

分析共选取三条动力时程数据，分别为:

1)秭归龙会观5.1级地震对应影响效果的时程曲线，峰值加速度为0.039 7 m/s2，所对应时间为5.805 s，持时为24.32 s，其加速度时程曲线如图2。

图2 秭归龙会观5.1级地震对应的加速度时程Fig.2 M5.1 earthquake acceleration time curve in Longhuiguan of Zigui

2)秭归屈原镇4.1级地震对应影响效果的时程曲线，峰值加速度为0.056 6 m/s2，所对应时间为7.33 s，持时为 45.0 s，其加速度时程曲线如图 3。

图3 秭归屈原镇4.1级地震地震对应的加速度时程Fig.3 M4.1 earthquake acceleration time curve in Quyuan Town in Zigui

3)人工合成时程曲线，峰值加速度为0.05 m/s2，所对应时间为6.68 s，持时为40.96 s，其加速度时程曲线如图4。

5.2 不同地震荷载对边坡的影响

分别将三组加速度时程数据导入计算，得到龙会观5.1级地震、屈原镇4.1级地震及人工合成时程所对应的边坡应力应变等值云图，并与自然状态下边坡应力状态相对比(图5～11)。

1)自然状态下(图5)

2)秭归龙会观5.1级地震荷载作用下边坡应力应变等值云图如图级地震荷载作用下(图6、7所示:)

3)秭归屈原镇4.1级地震荷载作用下边坡应力从图5～11可以看出

1)三个不同地震时程动荷载引起水平位移均为0.1 mm量级，且均呈现从下到上递增的规律，即边坡对地震反应上沿高程存在一定的放大效应;

2)通过三个不同地震时程动荷载引起边坡水平位移等值线云图可知，等值线近似等间距分布，地震荷载对边坡水平位移的影响呈现较强的线性规律，说明边坡岩土体对地震动荷载有滞后效应;

3)边坡在不同地震动荷载影响下，最大剪应变有一定的差异性，但总体呈现如下规律:坡肩较小，坡脚较大，且坡脚处等值线急剧加密，剪应变在坡脚处急速加大;

4)边坡动应力并不很高，虽出现动应力集中部位，但影响范围很小，因此对整个边坡的稳定性不会产生严重影响。但边坡边缘点动应力较大部分，局部岩体应力超限是可能的。

图4 人工合成加速度时程Fig.4 Synthetic acceleration time curve

图5 自然状态下最大剪应力等值云图Fig.5 Contour cloud chart of maximum shear stress under the natural state

图6 龙会观地震荷载下水平向位移等值云图Fig.6 Contour cloud chart of horizontal displacement under seismic load in Longhuiguan

5)秭归屈原镇4.1级地震对应影响效果的时程加速度荷载对该边坡影响最大，其水平位移和剪应变集中情况较其他两种条件下都要大。这是由于屈原镇4.1级地震是距离该边坡最近的一个，与边坡受近距离地震大脉冲影响较大的事实相符。

6 结语

1)建立符合实际边坡固有动态特征的“边坡结构”的数值模型及相应的边界条件是获得正确的动力响应的前提。

图7 龙会观地震荷载下最大剪应变等值云图Fig.7 Contour cloud chart of maximum shear strain under seismic load in Longhuiguan

图8 屈原镇地震荷载下水平位移等值云图Fig.8 Contour cloud chart of horizontal displacement under seismic load Quyuan Town

图9 屈原镇地震荷载下最大剪应变等值云图Fig.9 Contour cloud chart of maximum shear strain under seismic load in Quyuan Town

图10 人工拟合地震荷载下水平位移等值云图Fig.10 Contour cloud chart of artificial fitting horizontal displacement under seismic load

图11 人工拟合地震荷载下最大剪应变等值云图Fig.11 Contour cloud chart of maximum shear strain under artificial fitting seismic load

2)衡量边坡稳定性的一个重要因素是剪应变，通过分析，在对该边坡防护治理过程中，可对边坡坡肩、坡脚分部位进行有针对性的治理。

3)边坡在动力作用下的破坏机理及稳定性评价是一个十分复杂的问题，建议从不同地震荷载影响角度进行分析，并结合不同分析方法，综合研究。

1 Geo-slope International Ltd..QUAKE/W for finite element dynamic earthquake analysis user’s guide［R］.Geo-slope International Ltd.，2002.

2 祁生文.边坡动力响应分析及应用研究［D］.中国科学院地质与地球物理研究所，2002.

3 武汉地震工程研究院.湖北省宜昌市香溪长江公路大桥工程场地地震安全性评价［R］.2010.

STUDY OF SLOPE STABILITY UNDER DIFFERENT SEISMIC LOAD

Wang Xutao，Li Heng and Wang Ping
(Kay Leboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071)

This paper introduces the basic principle and calculation method of the seismic load on the slope dynamic response analysis.Taking the slope of Guojiaba in Zigui as an example，using the different time-procedure data under the action of seismic load respectively，inputing finite element calculation software directly，we can obtain the different dynamic responses under different seismic load，such as slope displacement and shear stress stress，etc.

slope;stability;seismic load;time-procedure analysis;dynamic response

P642.27

A

1671-5942(2013)Supp.(Ⅱ)-0045-04

2012-10-23

中国地震局地震研究所所长基金(IS200856068)

汪旭涛，男，1982年生，工程师，主要从事岩土工程监测及稳定性评价方面的研究工作.E－mail:309344453@qq.com