某边坡地震工况下的稳定性数值模拟分析

秋 实，左三胜

(成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都 610059)

某边坡地震工况下的稳定性数值模拟分析

秋 实，左三胜

(成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都 610059)

地震是引起边坡失稳的重要因素之一，文章以怒江上游干流左岸一边坡为例，利用Flac3D软件对其在地震工况下的稳定性进行了数值模拟分析。通过对比得出:在天然工况下，边坡塑性区域分布范围较小且零星，剪应变增量和位移场分布均合理分布，边坡处于稳定状态；在地震工况下，塑性区域形成贯通面，剪应力增量集中分布在基岩与变形带分界面，并且位移大幅增加，此时边坡处于失稳破坏状态。文章对揭示边坡在地震作用下失稳机制提供有益参考。

数值模拟；Flac3D；稳定性分析；地震；

0 引言

边坡失稳是我国常见的地质灾害之一，地震又是引发边坡失稳的重要因素。我国地处环太平洋和地中海—喜马拉雅地震带之间，是个地震频发的国家，同时我国又是个多山区的国家，所以对地震环境下边坡的稳定性研究就具有了非常重要的理论意义与实践意义。Flac3D软件在岩土工程分析中得到广泛的应用，尤其在非线性动力分析中，由于其采用混合离散的方法加上显式拉格朗日算法模拟塑性破坏与流动，使得模拟结果更加趋近实际。所以文章以怒江左岸一边坡变形体为例子，通过加载地震波加速度时程曲线，利用Flac3D软件进行数值模拟，分析其动力响应，预测其稳定性。

1 工程地质概况

此边坡位于西藏林芝地区察隅县察瓦龙乡境内的怒江干流左岸，NE55°山脊西南端边坡部位，总体上为斜歪起伏的山脊，上部为变形斜歪的山脊，中部为缓倾平台，下部为较陡倾斜坡。上部坡度约40°～50°，下部坡度约50°～55°。变形体发育区岩性以灰黑色变质粉细砂岩和炭质板岩为主，岩层为薄层状结构岩层产状 NW310°～NW340°/SW∠70°～85°。经测绘与勘探，变形体宽约310 m，纵向长约395 m。

边坡与基岩分界线除几处崩塌堆积外清晰可见，深部根据变形体裂隙张开度、密集程度、变形岩体完整性、勘探平硐的自稳性，可分为强、弱变形带。强变形带物质结构较松散，硐室自稳性差，该段的勘探平硐基本需要支撑才能保证稳定，弱变形带结构比较紧密，硐室基本稳定，一般不需要支护。平均厚度75 m，其中强变形带平均厚度30 m，弱变形带平均厚度45 m，规模为918×104 m3。岩土体物理参数经市内土工试验得出，如表1所示。

此变形体地处河谷深切地带，其临空面岩体发生强烈卸荷回弹作用，形成应力集中现象，形成许多卸荷与拉张结构面。地应力研究表明此变形体最大主应力方向与岸坡斜交，高水平的地应力也为变形体提供了良好的应力条件。

此变形体所在区域位于藏中地震带内，南端进入滇西地震带。所处区域新构造运动强烈，表现为强烈的大面积间歇性隆升和块体的侧向滑移及块体边界断裂的走滑位移活动。

2 地震力的作用效应

地震对岩土体的影响，一般是由下卧层向上传递的剪切波和压缩波引起的，使岩土体受到一系列应力循环的作用。但地震荷载不是周期性荷

载，其任意两个循环峰值可能不同，岩土体所受的影响也不仅仅是因为动荷载，而是受动荷载和静荷载叠加影响，静荷载主要是岩体自重产生。在叠加荷载的影响下，岩体反复瞬时加荷卸荷，使岩体结构松动，降低其稳定性，不断积累最终导致失稳破坏。边坡岩土体的复杂性加上地震荷载的不确定性导致地震效应对边坡变形体的影响是个复杂的动力过程。因此，数值分析时把变形体总应力状态简化为重力作用下的天然工况和水平方向地震应力的叠加。

表1 岩土体物理力学指标Tab.1 The physical and mechanical parameters of rock and soil

图1 边坡剖面示意图Fig.1 Geological profile of slope

3 数值模拟模型的建立

3.1 几何模型的建立

由于Flac3D在建立复杂形状网格方面的局限性，本模型根据边坡剖面示意图利用Ansys软件生成概化模型，划分网格和划分层次，之后通过郑文棠博士后开发的Ansys to Flac3D插件转换为. Flac3D格式文件导入Flac3D中进行计算。模型长630 m，高300 m，根据边坡变形带的划分分成三个部分，微新岩体命名为group1、弱变形带group2和强变形带group3，共计1936个单元，2529个节点。

模型采用摩尔－库伦本构模型进行计算，根据表1得出Flac3D中摩尔－库伦所需参数，如表2所示。

3.2 边界条件的设置

在动力计算中，由于地震波在边界处会发生反射从而再次进入到模型中参与计算，为了防止

地震波在边界上反射回模型造成模拟结果的失真，故在模型四周设置自由场边界来模拟无限场环境，以减小地震波反射所造成的影响。模型边界条件如图3所示。

图2 边坡概化网格模型Fig.2 The Meshmodel of slope

表2 数值模拟参数表Table 2 Parameters of numerical simulation

图3 模型边界示意图Fig.3 M odel boundaries of slope

3.3 地震波的输入

Flac3D允许在模型边界或内部施加动荷载，从而模拟模型收到动荷载时的状态，软件允许输入的荷载为:加速的时程、速度时程、应力时程、集中力时程。Flac3D中地震荷载的输入常用table命令定义的表的形式输入，table是Flac3D中一种数据格式，表中数据成对出现相当于两列表格。

根据《怒江上游区域构造稳定性与地震活动性评价报告》，变形体所在区域50年一遇10%概率地震的峰值加速度为0.13 g，近场区区域性破坏性的历史强震对边坡的影响如表3。

表3 近场区域历史强震表Tab.3 Historical earthquakes of near-field region

模型底部输入的地震波采用1976年11月25日宁河地震所记录到的南北向地震波。宁河

地震波有效频宽0.30～35.00Hz，峰值为0.145g/ 7.6s，适用于三类和四类场地，比较契合边坡所在工况。用Seismosignal软件对地震波做频谱分析，可知其90%的能量都集中在15Hz以内，并以此为最高频对地震波进行滤波，其加速度时程曲线和位移时程曲线如图4、图5所示。将此加速度时程曲线离散化形成Flac3D可读入的table数据表，一列数据为时间，一列数据为加速度，每0.01秒取一次值。

图4 宁河地震波加速度时程曲线Fig.4 Acceleration tim e history curve of Ninghe seism ic wave

图5 宁河地震波位移时程曲线Fig.5 Disp lacement time history curve of Ninghe seism ic wave

4 模拟结果

4.1 塑性区域

由图6(a)可知在初始地应力作用下，塑性区域分布范围很小，塑性区域零星分布在高程2200 m左右强变形带和弱变形带的分界处，厚度10 m左右，说明边坡不会发生剪切破坏或拉张破坏，即使出现也只会是局部范围的破坏，不会出现大范围整体滑动。

在地震工况下，变形体塑性区域显著增加，基本覆盖全部变形带，从图6(b)中可明显看出，强变形带和弱变形带均表现为顶部主要受拉张破坏，中部主要受剪切破坏，下部主要受拉张破坏的分布特征，并且在变形区与基岩分界面形成贯通

曲面，固滑坡在特定地震荷载下已经不稳定。

图6 塑性区域分布图Fig.6 Distribution of p lastic zones

4.2 剪应变增量分布

确定边坡的变形破坏范围是进行边坡稳定性分析和防治的关键，依据塑性大应变微结构力学观点，就承受塑性大变形的材料而言，原来平滑分布的变形模式被一种急剧不连续的位移梯度所取代，其特征是大量的剪切变形集中在相对狭窄的带状区域内，边界相对而言近乎平行。有研究表明:在剪切破坏面上的强度是逐渐发挥的，即在剪切带上土的强度不是同时发挥到最大值，土的逐渐性强度特性是剪切带强度发挥的反映。非均匀变形的发展也使得整体上表现土的软化性状是与剪切带产生的结构破坏直接相关。因此，岩土体的滑动失稳，都是沿剪应变最大的部位发生因此，要研究边坡的失稳范围，就可以通过寻找边坡的剪应变集中带来获得。

图7 剪切应变增量及速度矢量图Fig.7 Shear strain increment and velocity vector contour

通过图7(a)可以看出，减应变增量主要集中在强弱变形带交界面和坡脚处，厚度为30～40 m。由此可以看出其潜在滑动面为强弱变形区分界面，但由于从滑动面到外部速度变化不明显，说明此变形体还未出现明显滑动。

在地震工况下，从图7(b)可以看出，与天然工况对比，剪应变增量明显增大，相差几乎三个数量级，在变形带与基岩交界处剪应变增量有明显变化，说明边坡很可能在地震工况下沿着此面发生了滑动。

4.3位移场

图8 水平方向位移图Fig.8 Disp lacemen t con tour of horizontal direction

在天然工况下，如图8(a)所示位移主要分布

在边坡表面中上部，最大水平位移为8 cm左右，方向倾向河流方向，其余部分位移大部分分布在0～5 cm之间，可知边坡处于稳定阶段。在输入地震荷载后，如图8(b)可发现局部最大位移为24 m，强变形带的位移大部分分布在10～20 m之间，弱变形带位移主要分布在5～10 m之间，由于位移值过大，可以判断此边坡发生失稳破坏。

5 结论

文章通过对一边坡进行Flac3D数值模拟来分析其在地震工况下的稳定性问题，得出结论:在天然工况下，塑性破坏只在很小的范围发育，剪应变和位移场的分布合理；在地震工况下，塑性区域由零星分布发展到贯通变形体，切应变集中范围由浅层发展到深层，位移大幅增加，因此得出此边坡变形体在很有可能将在地震下丧失稳定性。

[1] 何国峰，王鹏飞，刘颖.汶川地区龙门山系滑坡稳定性分析与评价[J].防灾科技学院学报，2014，16 (3):20－25.

[2] 阚露，张发明.利用Flac3D预测某滑坡体地震荷载作用下的稳定性[J].黑龙江科技学院报，2013，23 (1):77－82.

[3] 艾兴.基于FLAC3D的边坡变形破坏机理数值模拟研究[J].露天采矿技术，2012，4:59－61.

[4] 郑颖人，叶海林，黄润秋，等.边坡地震稳定性分析探讨[J].地震工程与工程振动，2010，30(2): 173－180.

[5] 陈星，李建林，王家成.基于FLAC3D的边坡地震反应分析[J].中国农村水利水电，2010(1):59－62.

[6] 言志信，张 森，张学东，等.地震边坡失稳机理及稳定性分析[J].2010，18(6):844－850.

[7] 郑颖人，叶海林，黄润秋.地震边坡破坏机制及其破裂面的分析探讨[J].岩石力学与工程学报，2009，28(8):1714－1723.

[8] 陈育民.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京:中国水利水电出版社，2008.

[9] 刘红帅，薄景山，刘德东.岩土边坡地震稳定性评价方法研究进展[J].防灾科技学院学报，2007，9 (3):20－27.

[10] 李国琛.(法)M.耶纳.塑性大应变微结构力学[M].北京.科学出版社，2003.

[11] 张悼元，王士天，王兰生.工程地质分析原理[M].北京:地质出版社.1981.

Stability Analysis of a Large-scale Slope under Seism ic Load w ith Numerical Simulation

Qiu Shi，Zuo Sansheng
(Chengdu University of Technology，Chengdu，Sichuan 610059，China)

Earthquake is one of the prime reasons for slope failure.Based on the case ofa large-scale deformable body located on upstream Nujiang River，the authors make the numerical simulation by use the software of Flac3D. Comparisons showed:the distribution of plastic zones under initial earth stress is sporadic，the distribution of shear strain zones and lateral displacement under initial earth stress is reasonable rational；Under seismic load，there arise the complete connection of the plastic zones of the slope.The shear strain distributes on the boundary of deformable area and pedestal rock and the displacement contour of horizontal direction arises，so the slope is thought to be instable under seismic load drastically.The results are helpful to further research on the mechanism of slope instability under earthquakes.

numerical simulation；Flac3D；stability analysis；earthquake

TU

:A

:1673－8047(2015)01－0047－06

2014－07－26

秋实(1989—)，男，硕士研究生，研究方向为地质灾害评价与预测。