地震作用下的高边坡稳定性及敏感因素分析

杨振甲　杨霜　姜哲（中国水电基础局有限公司，天津　301700）



地震作用下的高边坡稳定性及敏感因素分析

杨振甲杨霜姜哲
（中国水电基础局有限公司，天津301700）

摘要：以柳林县孟门铁路煤炭装车站储运装工程为例，对地震力作用下边坡的长期稳定性进行了研究，并采取有效措施降低其破坏范围，同时分析了影响边坡稳定性的敏感因素，为工程高边坡的优化设计提供了参考依据。

关键词：边坡，稳定性，地震波，敏感因素

0　引言

我国山地面积辽阔，出现暴雨、地震等自然灾害时，大量的自然边坡就会频繁地发生滑坡、泥石流以及崩塌等地质灾害，给人们的生命及财产安全造成很严重的损失。因此，边坡稳定性的研究进展一直备受关注。边坡稳定性的分析方法可分为定量和定性两种。其中，定性分析法中数值模拟法一直是关注的焦点，这种分析方法对边坡长期稳定预测与防治起了一定的保障作用。

本文主要以柳林县孟门铁路煤炭装车站储运装工程为依托，采用数值模拟的方法对高边坡在地震力作用下的稳定性进行研究，并对可能影响边坡稳定性的因素进行敏感性分析，为以后的类似工程实践提供参考。

1　工程概况

柳林县孟门煤炭铁路专用线工程装车平台位于山西省吕梁市柳林县孟门镇贺龙沟村。工程处在西北黄土高原地带，其中装车平台位于黄土冲沟内，地形切割较深，相对高差约66 m，局部基岩出露。

2　地质条件

3　初步设计方案

该工程周围边坡较多，根据地质资料，最高的边坡相对高差为72 m，为了保证高边坡的稳定性，对其卸荷开挖，如图1所示。

根据土质资料及理正软件计算结果，初步采用分级放坡的方案。边坡上部主要以黄土为主，直立性较好，采用坡率为1∶1.0，每隔8 m高差设置一级马道，宽度为2 m，每三级马道设一级宽10 m的马道；边坡下部主要以砂土为主，仍采用分级放坡，坡率为1∶1.75，每三级马道也设一级宽10 m的马道；高边坡共分九级开挖。

图1　高边坡示意图

4　地震工况模拟

4.1边界条件

地震属于动力荷载，是一种随机性很大的荷载，不仅作用的结构点随机性强，而且在不同地点、强度大小、时间上更是无法预知的。施加动力边界比静力边界能更好的模拟动力荷载的随机性。

该工程中，地震烈度为6度，场地类型为Ⅱ类。El-centro地震波适合Ⅱ类场地。实测得到地震波是加速度的形式，用matlab所编程序选用拉格朗日二次插值法进行积分，并采用二次多项式对地震波进行修正，得到速度波，如图2所示。

图2　速度波

4.2模型的建立

模拟高边坡工程，主要采用的是离散元与有限元相结合的软件建立模型。模拟在地震工程下的长久稳定性，在模型的底部施加上面计算得到的地震速度波，模拟地震工况；两侧施加自由场边界条件，如图3所示。

4.3动力响应结果

在地震波中横波对建筑物的影响最大，周期长，振幅最大。本文采用不同的入射角施加地震荷载的形式对比分析，分别为30°，45°，沿竖直方向（纵波），沿水平方向（横波）几种入射角度。结果如图4～图7所示。

图3　边坡模型

图4　30°入射角6 s时的水平位移图

图5　45°入射角6 s时的水平位移图

图6　纵波6 s时的水平位移图

图7　横波6 s时的水平位移图

研究地震波的目的在于边坡受到各种地震波作用时，破坏较为严重的情况是什么，且采取什么措施降低破坏的影响范围。如图5所示，地震波以45°入射角时对边坡稳定性造成的破坏最大。在地震荷载强烈的作用下，高边坡易发生后缘拉裂破坏，进而导致边坡整体失稳破坏。边坡的每级坡脚、台阶处应力集中，易发生破坏，其中最严重敏感的区域是边坡中部即黄土与砂土交叉的地方，为避免出现滑坡或将影响降到最低，建议此处建立挡土墙。边坡的坡面处土体易滑落，为了人们的安全，应当采取有效地坡面防护措施。

5　敏感因素分析

边坡放坡开挖设计中，对稳定性起决定性作用的还有坡度、坡高及台阶宽度。本文中主要对边坡三要素进行敏感性分析，为进一步优化设计奠定基础。

将坡高、坡角、平台宽度分别取不同的数值，对模型采用强度折减法计算得出各个参数的安全系数，并绘制曲线进行对比分析，计算结果如图8～图10所示。

图8　单级坡高与安全系数曲线

图9　平台宽度与安全系数曲线

图10　单级坡角与安全系数曲线

从图8可知，在一定的范围内，单级坡高越陡，边坡的安全系数越高，这是由于黄土的特殊性造成的，黄土具有直立性好的优点，因此，在设计中适当增加坡高是适宜的。根据调查资料及边坡的防护需求，一般可以采用4 m～6 m或者6 m～8 m。平台宽度与安全系数曲线较平缓，说明在一定范围内，对边坡的稳定性影响较小，考虑经济因素，建议小平台采用2 m～3 m的宽度。在工程中，当分级级数较多时，可以采用小平台与大平台结合的方式，中部可设置较宽平台，提高边坡整体稳定性及独立性。坡角是对边坡影响较大的因素，按常规计算，坡度越缓，边坡越稳定，然而在本工程中由于黄土边坡的存在，坡度较陡反而有利于边坡的稳定性，但是考虑到边坡坡面受雨水冲刷的情况影响，边坡不宜过缓，因此，合理的坡度对边坡的稳定性有至关重要的作用。

6　结语

本文通过施加不同形式的地震波，对边坡的长期稳定性进行了预测，通过上述分析可知，高边坡采用初步设计后，平台及坡脚应力集中，坡面最容易受到破坏，因此，建议边坡上部黄土区域可以采用人工植草技术护坡，下部砂土地方可以采用浆砌石护坡，每级的坡脚、马道、坡顶均应采取防护措施，可以选用浆砌毛石砌筑。

对边坡的三要素：坡高、平台宽度、坡角，分别进行敏感性对比分析，可知平台宽度在一定范围内改变，对其稳定性影响不大；坡高、坡角对边坡稳定性影响较大，又由于黄土的特殊性，坡高在其后面优化中可以适当提高，建议采用1∶0.75开挖。采用这种分析方式对以后类似工程起到很有价值的参考作用。

参考文献：

［1］靳付成.边坡稳定性分析方法的研究现状与展望［J］.西部探矿工程，2007，7（1）：5-9.

［2］刘立平，雷尊宇，周富春.地震边坡稳定分析方法综述［J］.重庆交通学院学报，2001，20（3）：83-88.

［3］韩晶晶.地震力和地下水作用下边坡稳定性分析［D］.成都：西华大学建筑与土木工程学院，2011.

On analysis of high slope stability and sensitive factors under seismic effect

Yang Zhenjia Yang Shuang Jiang Zhe
（Sinohydro Foundation Engineering Co.，Ltd，Tianjin 301700，China）

Abstract：Taking Mengmen Railway coal loading station in Liulin County as the example，the paper researches the long-term stability of the slope under the seismic effect，and undertakes the stability sensibility，so as to provide some reference for the optimal design of the high slope of the project.

Key words：slope，stability，seismic wave，sensitive factor

中图分类号：TU413.62

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）06-0068-03

收稿日期：2015-12-15

作者简介：杨振甲（1984-），男，硕士，工程师；杨霜（1988-），女，硕士，助理工程师；姜哲（1985-），男，硕士，工程师