地震荷载作用下高边坡稳定性分析

王　成,杨耀宗

(重庆交通大学 土木建筑学院， 重庆　400074)



地震荷载作用下高边坡稳定性分析

王成,杨耀宗

(重庆交通大学 土木建筑学院， 重庆400074)

摘要：应用地震对高边坡的破坏机理，以重庆渝中区洋河小学头塘校区旁边的高边坡为研究对象，对地震荷载下高边坡的稳定性进行分析.利用有限元软件MIDAS/GTS，建立三维数值模拟模型，初步分析地震荷载作用下带有软弱夹层的高边坡位移及应力变化规律.由分析结果可知：沿地震波方向的高边坡位移明显增大，其他方向位移变化较小；软弱夹层上部较下部位移变化大.高边坡安全系数的计算可为其加固提供可靠的理论依据.

关键词：地震荷载；高边坡；三维数值模拟；MIDAS/GTS；安全系数

我国是一个多山的国家，因而客观上决定了我国有大量的边坡；同时我国还是一个地震多发的国家，西部地区是主要的强震区.因此，研究地震荷载作用下边坡的安全性尤为重要[1-2]，当然高边坡也不例外.目前，地震荷载作用下比较常用的高边坡稳定性分析方法有拟静力法、Newmark滑块分析法及动力分析法等.Terza-ghi最先提出拟静力法，由于其简便适用，在分析地震荷载对高边坡作用中得到广泛应用，并积累了丰富的工程经验，被编入有关规范[3].由于此方法在静力荷载下采用静力方法求得，没有表现出地震的动力特性，因而只能作为一般经验性的方法.Newmark滑块分析法目前被许多国家应用[4]，但由于缺乏破坏准则，无法判断稳定性.动力分析法是把每一时刻的动荷载当作静荷载，按照静力方法求得每一时刻的安全系数，绘制成安全系数时程曲线[5].现在静力方法在高边坡分析中已比较成熟，但在地震荷载作用下的高边坡分析中，尤其是工程应用上还有许多问题有待解决.因此，利用地震对高边坡破坏的机理，以重庆渝中区洋河小学头塘校区旁的高边坡为研究背景，现场采集样品，试验求得力学参数，并利用有限元软件MIDAS/GTS，对高边坡在地震荷载作用下的稳定性进行分析与研究.

1高边坡地质背景

高边坡位于重庆市渝中区洋河小学头塘校区附近，具体地质与地震状况如下：

1)地层岩性.高边坡上覆岩层为第四系砂卵砾石层，以及局部堆积于斜坡坡脚的残坡积粉质黏土，厚约10 m；地层以河湖相沉积的中生界侏罗系中统上沙溪庙组为主，岩性为灰色岩屑长石砂岩、长石砂岩、紫灰色中-厚层状泥岩、含叶肢介、介形虫化石.

2)地质构造.位于新华夏系四川沉降区川东南弧形构造带、华蓥山帚状褶皱束和宣汉-重庆平行褶皱束过度带的重庆复向斜部位，其构造骨架形成于燕山晚期褶皱运动.构造形迹从东向西依次为：东西两侧分别为南温泉和观音峡紧密背斜，中部为重庆复向斜.重庆复向斜由一系列近于平行的北东向的平缓褶皱组成，由西向东有金鳌寺(化龙桥)向斜、龙王洞背斜、沙坪坝-重庆(解放碑)向斜.除沙坪坝-重庆(解放碑)向斜呈NE-SW向外，其余多呈NNE-SSW向展布，并向南转为SN向.区内褶皱均为缓倾没的平缓开阔式，轴部、翼部均由上沙溪庙组砂岩、泥岩组成，褶皱倾没角2～8°，岩层产状平缓，倾角3～6°.

3)地震情况.历史上重庆频繁发生小地震，根据记录，在1854年11月24日，距离重庆约65 km的南川县发生了5.5级地震；1970—1980年的10年内发生27次小地震，震级最大为4级；最近几年频繁发生地震，在1989年9月9日，重庆渝中区发生了4.3级小地震，同年11月20日发生5.4级地震，主城区约40 km外有感.

重庆地区新构造运动以不均衡间歇性抬升为主，在两江沿岸断续分布多级陡崖与阶地.这些陡崖底部标高可与Ⅲ~Ⅳ级阶地标高大致对应，说明陡崖的分布与江河的冲刷切割具有密切的相关性.

2高边坡工程的岩体力学参数

里程K0+460～K0+680处的海尔路是深路堑段，挖方最大深度35 m.通过对工程地质条件调查，并结合岩芯室内试验成果，确定高边坡岩体力学参数.具体见表 1.

表1　高边坡工程岩体力学参数

3三维模型的建立

3.1基于MIDAS/GTS模型的建立

借助有限元分析软件MIDAS/GTS建立有限元模型，对地震荷载作用下高边坡的坡的位移和应力进行分析，旨在对高边坡加固提供理论依据.岩质边坡如图1所示；输入X方向地震的水平加速度曲线如图2所示.

3.2屈服准则

图1　岩质边坡示意图　　　　　　　　图2　输入X方向地震的水平加速度曲线

根据边坡岩体的地质力学特性，采用Mohr-Coulomb 强度准则作为屈服准则，采用理想弹塑性简化岩体的材料.此模型不仅适用于岩体的破坏前后，并且较好地反映高边坡的变形、位移、塑性等重要变量，所得结果较好地反映了高边坡的实际状态.

在主应力场中，可以用一不等角的六棱锥体描述Mohr-Coulomb 屈服准则，投影到在平面上成为不等角的六边形.其函数表达式如下：

式中：J1表示应力张量第一不变量，J2表示应力张量第二不变量，θσ表示应力Lode角，取值范围为

Mohr-Coulomb强度准则考虑了岩石拉压不等的性质，适合高边坡的应力和应变关系.

3.3模拟模型

该模型高边坡高度为20 m，垂直边界总高为35 m，水平边界长度为55 m，高边坡坡度为1∶1，内部有内夹层.模型模拟整体为硬岩内部有层内夹层.如图1所示.

模型简化：底部为固定约束边界，左右两侧约束X方向自由度，如图3所示.

4数值模拟结果

图3　高边坡有限元模型

地震荷载作用下高边坡的位移变化规律如图4、图5所示.

由图4和图5可知：在水平方向地震荷载作用下，沿X方向的位移是高边坡临近破坏时位移的1.5倍，均沿X方向的负方向；软弱夹层上部硬岩的位移值和下层硬岩的位移值有明显的差异，最大位移区域较破坏前扩大了；地震荷载作用下主要沿X方向位移的改变，对Y方向的位移相对较小，而且位移的比值是几何级数.

图4　沿X方向位移图　　　　　　　　　　　图5　沿Y方向位移图

在地震荷载作用下，图6、图7和图8分别为X-Y平面剪应力、最小主应力和等效塑性图.

由图6、图7和图8可以看出，在地震荷载作用下，X-Y平面内边坡的剪应力为破坏前1.3倍，而最小主应力却较破坏前减小，软岩和硬岩之间的横向位移变大，软岩两侧的硬岩应力变化差别明显.这些说明地震发生时高边坡主要发生剪切破坏.在软岩夹层两侧塑性区出现了贯通，说明软岩夹层对地震荷载作用下边坡的稳定性较大，边坡很容易失去稳定性.

图6　X-Y平面剪应力图　　　　　　　　　　图7　最小主应力图

图8　等效塑性图

利用高边坡沿X方向位移和强度折减系数的关系，通过计算求得:地震荷载作用下高边坡安全系数在0～0.55时，X方向的位移几乎不变；高边坡安全系数为0.55～0.75时，X方向的位移变化较小；安全系数为0.75～0.95时，位移增加迅速，出现塑形破坏；安全系数超过0.95时，边坡失稳，此时需要采取加固措施，确保边坡安全.

5结语

1)从上述分析可知，地震荷载是高边坡失稳的重要因素，在地震高发地区分析高边坡加固时需要考虑地震荷载的作用.

2)地震荷载作用下带有夹层高边坡的破坏主要是岩体的剪切和拉破坏.考虑到地震对高边坡破坏机制，故而利用强度折减法对高边坡安全性进行分析.从结果看，数据是可行的，结论是可靠的.

参考文献：

[1] 洪海春,徐卫亚.地震作用下岩质边坡稳定性分析综述[J].岩石力学与工程学报,2005,24(1):4827-4836.

[2] 赵要军,陈安.公共财政应急支持体系构件——以云南大姚地震为例[J].西北地震学报,2008,30(2)：113-116.

[3] GB 5001l—2001,建筑抗震设计规范[S].

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

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

(编辑徐永铭)

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

中图分类号：U416.1+4

文献标志码：A

文章编号：1674-358X(2015)01-0052-04

作者简介：王成(1962-)，男，重庆人，教授，博士，硕士生导师，主要从事桥隧工程研究;

收稿日期：2014-11-02

杨耀宗(1989-)，男，安徽安庆人，硕士研究生，主要从事岩土工程研究.