基于FLAC的某工程地震作用下的边坡稳定性分析

殷俊文

(五寨县水利局，山西 五寨 036200)

0 引 言

地震是一种较为频发的地质现象，在地震过程中，释放大量的能量，将诱发大量、大规模的地质灾害。地震诱发地质灾害与一般情况相比，具有运动距离远、规模大、数量多、破坏性强等特点。因此，需要重视对地震诱发地质灾害的研究。边坡工程是工程建设过程中经常遇到的问题，人类工程活动扰动下，边坡岩土体出现了应力充分部现象，可能造成边坡稳定性降低等结果。在考虑地震影响下，分析边坡稳定性情况具有十分重要的研究意义。目前，已有较多的专家学者，对地震作用下边坡稳定性情况进行了研究。在边坡动力稳定性研究中常用的方法包括：数值模拟、物理模型试验等。通过多种方法，可对地震作用下，边坡的力学响应和变形机理进行再现模拟，对获取边坡变形本质具有良好的效果[1-2]。

与物理模型试验相比，采用数值模拟方法具有建模简单、计算速度快、费用低等优势，结合计算机，可在较短时间内完成多组试验，从而分析不同坡体结构、动力特性对边坡稳定性的影响。目前，在边坡动力研究中，通常采用强度折减法、地震超载法进行分析，结合某工程实例，采用强度折减法、地震超载法对边坡稳定性进行研究。

1 计算理论与方法

1.1 强度折减法

强度折减法的计算原理较为简单，在保持地震荷载不变的情况下，对边坡的抗剪强度参数(内聚力c、内摩擦角φ)等按照一定的关系进行折减，利用折减后的抗剪强度参数(c1、φ1)，对边坡进行动力稳定性分析。采用强度折减法进行抗剪强度参数折减的方法如下：

(1)

式中：F为动力安全系数，表示边坡达到临界失稳时，抗剪强度参数的折减程度。

1.2 超载系数法

超载系数法是另一种常用的计算方法，与强度折减法不同的是，超载系数法不改变边坡岩土体的强度参数，通过改变地震荷载的大小，使得边坡在地震动荷载影响下失稳破坏，此时，地震超载系数即为安全系数，采用下式计算：

d=K×a

(2)

式中：K为超载系数；a和d分别为边坡设防地震峰值加速度和边坡临界破坏时的地震峰值加速度。

2 实例应用

2.1 工程概况

某工程边坡主要是为了保证工程建设而形成，边坡开挖后形成的永久性边坡高度约为68.0m。边坡岩体主要为全风化、强风化、弱风化千枚岩，边坡采用分级开挖的方式进行开挖，边坡共分为6级边坡，从下至上每级边坡高度分别为10.0m、10.0m、10.0m、10.0m、10.0m、8.0m。根据现场调查以及监测资料，边坡现状整体稳定性较好，但浅表层易出现滑动破坏现象。边坡工程剖面见图1。

图1 边坡工程地质剖面图

2.2 边坡有限元模型的建立

边坡稳定性分析采用FLAC软件，该软件在边坡数值模拟分析中极为常用。采用有限元数值模拟方法对边坡进行稳定性研究时，需要确定合理的边界条件，方可保证计算结果与原型较为接近。为了充分考虑边坡的影响范围，设计模型总高度为136m，坡脚距离模型左、右边界距离为100m、180m。建立的FLAC数值模拟模型如图2所示。

数值模拟计算分析采用Mohr-Coulomb屈服准则，在模型底部选用等效一致黏弹性边界条件，这主要是考虑到，建筑边坡场地距离断裂带距离较远，采用该模型边界可反映远域地基辐射阻尼对地震波的影响，地震波输入区域为模型底部，采用有限元计算，模型材料计算参数见表1。

表1 岩体材料物理力学参数

根据《水电工程水工建筑物抗震设计规范》(NB35047-2015)，采用规范反应谱作为地震波参数，阻尼比5%、动力放大系数为2.5，水平、竖向峰值加速度分别为0.2g、0.133g，地震波影响总时长为20s，地震加速度时程曲线见图2。

(a)人造波1水平向 (b)人造波1竖直向

3 不同方法数值模拟结果分析

3.1 强度折减法数值模拟结果

采用强度折减法数值模拟计算结果见图3。从图3中可知在F=1.3、F=1.6、F=1.85、F=1.88等条件下的塑性区分布情况，随着安全系数F不断增大，塑性区分布范围不断增大，当F=1.3时，塑性区仅在坡体中部分布，当F增大至1.90时，在坡体内部形成了较为贯通的塑性区。塑性区主要分布于全风化千枚岩、强风化千枚岩区域，岩土体强度参数对边坡动力稳定性影响较大。

图3 强度折减法塑性区分布图

3.2 地震超载法数值模拟结果

采用超载法数值模拟计算结果见图4。

从图4中可知在K=2.0、K=2.5、K=3.0、K=3.35等条件下的塑性区分布情况，随着K值不断增大，塑性区分布范围不断增大，采用地震超载法计算时，塑性区表现为从坡脚、坡体内部软弱区向周围扩展、贯通的发展趋势。塑性区分布范围与强度折减法计算结果一致。

图4 地震超载法塑性区分布图

采用强度折减法、地震超载法进行边坡动力稳定性分析时，边坡稳定性随着F、K值的增大，塑性区范围也不断增大，塑性区扩展主要从坡脚、坡体内部全风化千枚岩处开始，向周边发展、扩大，与强度折减法相比，采用地震超载法计算时，塑性区范围更大。

4 结 论

1)采用贯通性的塑性破坏区作为边坡动力失稳的判断准则，选取了强度折减法和地震超载法两种方法进行研究，根据数值模拟结果得知，采用强度折减法计算边坡动力安全系数为1.90；采用地震超载法计算边坡安全系数为3.35。

2)当强度折减法和地震超载法均达到贯通的塑性破坏时，地震超载法的变形破坏范围要大于强度折减法的范围。