基于FLAC3D的层状岩石边坡抗震稳定性数值模拟分析

摘 要：为研究地震作用下层状岩石边坡的稳定性，以西南地区的典型边坡为原型，使用FLAC 3D软件建立数值模拟模型，在指定的地震动荷载条件下计算开挖后不同的边坡形态对稳定性产生的影响，以现行规范为参照，得出在地震作用下容许的最大边坡开挖高度和坡度，同时指出其破坏的外观表现为横向扩展或顺层滑移等形式。

关键词：地震;岩石;层状边坡;FLAC3D;稳定性

由于边坡内部层状分布的特性，层间空隙及软弱层的存在使得动荷载在坡体中传递时可能诱发滑坡或垮塌。在地震作用下这一类型的边坡的破坏机理一直是有待探索的方向。本文基于FLAC3D软件的建模以及动力时程分析方法[1]，对某实际工程的顺层岩质边坡施加地震荷载，进行相关稳定性分析，结合现行相关规范，提出该工点的临界安全坡高及坡度。

一、工程概况

建立模型时，参考了西南地区典型边坡的岩土数据，天然未开挖状态下边坡的坡度约为20～30°，岩层产状倾角约为20°。边坡高度较大，坡表层面清晰坡内层面紧闭而粗糙为典型硬质岩顺层边坡[2]。各岩层按照风化程度可分为强风化、弱风化、微风化岩石。边坡岩体物理力学参数如表1所示。

二、模型设置

模型高度为h，纵向边界为水平线以下5m，y方向的宽度取20m，模型采用FLAC3D支持的库伦-摩尔计算准则，同时通过 “interface”命令给岩层层面的c、φ值以及法向刚度等赋值，如图1。

地震波采用汶川地震波节选部分[3]，峰值加速度为0.30g，地震数据时间间隔为0.02秒，持续时间取4s，其加速度时程如下图所示。

根据边坡外观尺寸的不同建立了相关模型，外观尺寸参数中坡高包括10m、15m、20m、25m、30m、40m、50m、60m，坡率包括1：1.5、1：1.2、1：1、1：0.75、1：0.5。

三、安全临界坡高坡度计算

依据我国现行的《公路工程抗震规范》（JTG B02-2013）的规定[4]：采用静力法对路基进行抗震稳定性验算时，高速公路和一级公路、二级公路路基边坡高度大于20m的，路基边坡抗震稳定系数不应小于1.15，路基边坡高度小于或等于20m的，不应小于1.1。

坡度1：1高度20m的边坡模型，计算所得安全系数為1.00，但观察其震后位移时程曲线和最大剪应力云图（图3）可知，在地震后仍持续产生位移，趋向失稳状态发展。其余边坡尺寸的安全系数计算如表2。

插值后可得出地震作用下该边坡的临界安全坡度及高度如表3。

四、结论

（一）边坡高度、坡度与边坡稳定性呈负相关。层状岩石的倾角较缓时，由于下滑力分量较小，破坏形式多为横向裂缝扩展，地震波在坡体中传递时产生滑动。在坡度足够陡时，更容易在地震作用下形成临空面，边坡内部拉裂破坏形成滑移破坏。

（二）由剪应力云图可以看出，地震作用时软弱层首先开始产生受剪破坏，随后在上覆岩体自重作用下引起滑坡，此时边坡失稳受岩体自重和软弱层破坏的影响较大。

（三）通过模拟计算得到地震作用下改模型边坡在进行挖方边坡设计时应满足的临界安全高度及坡度：坡度1：0.5时动力临界高度为12.6m;坡度1：0.75时动力临界高度为14.51m;坡度1：1时动力临界高度为16.87m;坡度1：1.2时动力临界高度为18.66m;坡度1：1.5时动力临界高度为22.27m;所得数据对岩石边坡工程的开挖设计有一定的参考价值。

参考文献

[1] Qian Cheng，Yongkui Shi，Lingqun Zuo. Numerical Simulation and Analysis of Surface and Surrounding Rock Failure in Deep High-Dip Coal Seam Mining[J]. Geotechnical and Geological Engineering，2019，37（5）. 4285-4299.

[2] 白云峰. 渝怀线顺层边坡的工程地质特征与类型划分[C]. 中国岩石力学与工程学会.岩石力学新进展与西部开发中的岩土工程问题——中国岩石力学与工程学会第七次学术大会论文集.中国岩石力学与工程学会：中国岩石力学与工程学会，2002：468-471.

[3] 许冲，戴福初，肖建章.“5.12”汶川地震诱发滑坡特征参数统计分析[J].自然灾害学报，2011，20（04）：147-153.

[4] 中华人民共和国行业标准.公路工程抗震规范（JTG B02-2013）[S].北京：人民交通出版社，2014.

作者简介：陈思芃（1996—），男，汉族，广西南宁人，工学硕士，单位：广西交通投资集团南宁高速公路运营有限公司，研究方向：道路路基与路面工程。