基于FLAC3D地震及降雨工況下邊坡變形破壞特征分析

鄭麗華

(陽谷縣城鄉供水服務中心,山東 聊城 252300)

0 引言

隨著“一帶一路”項目的實施,鐵路公路邊坡穩定性對工程建設的影響日益突出。我國西南山區屬于地震多發帶,且降雨頻繁,地震及降雨是導致邊坡失穩的重要因素,因此,研究邊坡在地震及降雨條件下的失穩機制及穩定性,對“一帶一路”工程建設具有重要意義[1-2]。地震對邊坡穩定性影響主要表現在兩個方面,一是地震周期震動對邊坡潛在滑動面上抗滑結構的破壞,二是地震產生的慣性力作用在滑體上,增大下滑力[3-4]。言志信等[5]采用有限差分數值模擬軟件,通過檢測邊坡土體位移、切應變等參數,分析巖土體在地震作用下的破壞過程,研究結果表明,地震邊坡的破壞主要是地震慣性力造成的;李萌等[6]采用三維離散元數值模擬技術,對外傾巖質邊坡在地震作用下的失穩機理進行研究,結果表明,在地震荷載下,坡面各監測點PGA放大系數在超過1/2邊坡高度以上急劇增大;

以上研究均為對邊坡單一作用下的響應規律進行研究,對于降雨及地震共同作用下的影響研究較少。本文某邊坡為例,采用數值模擬軟件FLAC3d分別研究降雨及地震作用下的變形破壞特征,為相關邊坡的地震動力學設計提供參考。

1 研究區概況

研究區屬于高山峽谷地貌。區內年平均降水量為1 120 mm,年平均降雨天數為145 d,主要集中在每年的5-8月。年平均氣溫17.2℃,一月平均氣溫3.2℃,七月平均氣溫28.5℃。

根據現場勘察及鉆探結果,該滑坡區內地層主要地層為巖性和厚度穩定的三疊系海陸交替相碳酸鹽巖及部分碎屑巖地層,厚度約240～400 m?；滤诘仄骄０螢? 780 m,滑源區頂部高程1 968 m,底部高程1 712 m,相對高差約256 m(圖1)。

圖1 滑坡示意圖

如圖1所示,該滑坡溝谷成“V”形,谷底分界線從滑源區右側中間位置向坡腳延伸,平均坡降比為0.55,溝谷左側滑體坡面傾角為42°,滑體體積約3.21×105m3,由第四系坡積物及泥石流堆積層組成,主要構成物質粉質黏土,灰巖等組成,下伏基巖為玄武巖。各部分巖土體力學參數如表1所示。

表1 各巖土層物理力學參數

2 數值模擬分析

模型長300 m,高度180 m,采用三角形網格劃分,坡面用30×30個關鍵節點控制地表起伏形態特征,相鄰關鍵節點距離為8 m,在地表滑動面附近增加網格密度,以提高計算結果準確度,累計劃分網格單元31 000個。采用強度折減法,考慮在地震工況和降雨工況下,該邊坡的位移及應力分布規律。

2.1 強度折減法

采用強度折減法計算邊坡安全系數(Fs)公式如式(1)所示:

Fs=F抗滑/F下滑

(1)

式中:F抗滑為邊坡抗滑力,KN;F下滑為邊坡下滑力,KN

強度折減法通過同時按比例降低巖土體力學參數c和φ,直至邊坡發生破壞,此時的折減系數即為邊坡的安全系數Fs。

2.2 地震工況

采用彈塑性本構模型,設置最大不平衡力為80,以確保計算結果的穩定性,設置時間步長為1×10-3,阻尼系數為0.1。計算模型采用地震波如圖2所示,該地震波峰值加速度為0.15 g。

圖2 計算模型地震波形圖

2.3 降雨工況

降雨通過斜坡表面裂隙滲入坡體內部后,導致潛在滑面巖土體軟化,力學強度降低,且降雨增加坡體自重,導致下滑力增大。本模擬中,考慮10 mm/d的降雨量條件下斜坡變形破壞特征。在降雨工況計算時采用彈塑性本構模型計算初始地應力場,然后考慮滲流作用下的動力模型,使用Slove Fos命令對邊坡位移及安全系數進行求解。

3 數值模擬結果分析

3.1 不同工況下邊坡變形特征分析

圖3為地震工況及降雨工況下,邊坡剖面位移云圖。

圖3 兩種工況下邊坡剖面位移云圖

如圖3(a)所示,地震工況下邊坡在坡腳處位移較大,位移值為4.1×10-2～4.1×10-2m,從剖面圖中可以看出,該邊坡坡頂處位移較小,在0～2.6×10-2m之間土層部分較穩定,由坡面向內部位移值逐漸降低。該剖面位移相對較大區域主要分布在高程1 520～1 610 m范圍內,在坡腳處最大位移值約4.4×10-2m,說明在坡腳處發生了應力集中,首先發生破壞。

圖3(b)降雨工況下,位移發生在淺層坡面處,潛在滑動面深度約20～30 m。坡面處位移最大約1.2×10 m,其位移相對較大區域分布在1 510～1 650 m范圍內,降雨工況下總位移最大值為17 m。與天然工況下位移相比,變形區域范圍增大,與實際情況相吻合。

3.2 不同工況下邊坡切應變數值模擬結果分析

大量工程實例及數值模擬分析結果表明,可通過邊坡不同位置剪應變來判斷坡體變形破壞部位,剪應變集中區域通常為邊坡破壞較明顯部位,其穩定性較差。圖4為地震及降雨工況下邊坡切應變云圖。

圖4 降雨及地震工況下切應變云圖

如圖4(a)所示,地震工況下,坡體潛在滑動面切應變范圍在2.2×10-4～2.5×10-4內,其分布與巖性分界面相對一致,表明受地震作用下,斜坡巖土體整體松散,穩定性降低,斜坡下滑趨勢明顯。

圖4(b)降雨工況下,斜坡潛在滑動面切應變范圍在1.3×10-4～1.5×10-4之間,沿土巖分界面像坡腳處延伸,且坡體中、下部應變增量集中。與天然條件下相比,切應變明顯增大,增大位置由坡頂處向中、下部轉移。數值分析結果表明,在降雨工況下邊坡穩定性下降明顯,處于次穩定狀態。

3.3 斜坡監測點位移時程分析

圖5為邊坡內不同監測點P1,P2,P3,P4位移隨時間變化情況。

圖5 監測點時程曲線圖

由圖5所示,P2,P3點豎向位移變化趨勢較為接近,在0.2 s時呈現下降趨勢,隨后線性上升至最高點,P3點豎向位移在整個模擬過程中均高于P2點。P1點豎向位移變化趨勢與P2,P3接近,隨著時間推移,P2,P3點與P1變化差距增大。P4點豎向位移時程曲線與P1,P2,P3點差別較大,在2.0 s內處于負向位移區,呈線性降低,在2.0 s時,P1,P2,P3,P4監測點位移分別為0.12 m,0.19 m,0.9 m,-0.32 m。

根據以上分析可知,位移時程變化曲線歲高程增加,有一定的滯后效應,隨著距地面高度增加,位移時程曲線近似為線性。坡腳處監測點P4位移為負值,表明地震作用下該處產生擠壓作用導致位移負向增加,其他監測點位移為正值,表明該區域所受應力為拉應力,有滑動趨勢。

4 結語

本文采用FLAC3d有限差分軟件,對某水庫邊坡進行穩定性分析,模擬降雨及地震工況條件下,邊坡的變形破壞情況,主要結論如下:

(1)地震條件下,坡體潛在滑動面切應變范圍為2.2×10-4～2.5×10-4,邊坡在坡腳處位移值最大,約為4.4×10-2m,說明在坡腳處發生了應力集中,首先發生破壞。

(2)降雨工況下,位移發生在淺層坡面處,其位移相對較大區域分布在1 510～1 650 m范圍內,總位移最大值為17 m。

(3)邊坡在地震及降雨條件下,坡面最大位移隨高程增加而增大,在坡腳處位移為負值,處于壓縮狀態。研究結果對于相關公路邊坡工程的設計具有一定的指導意義。