地下水和地震共同作用下的邊坡穩(wěn)定性分析

黃 帥 汪洪祥 王 榮 蔡德鉤 閆宏業(yè)

(1.中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所，北京100085;2.中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司，北京100027;3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京100081)

當(dāng)邊坡內(nèi)含有較高的地下水位時(shí)，其產(chǎn)生較大的孔隙水壓力，導(dǎo)致邊坡有效應(yīng)力降低，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。尤其是我國(guó)西部地區(qū)年降水量表現(xiàn)出普遍增加的趨勢(shì)，在降雨集中時(shí)期，會(huì)導(dǎo)致邊坡地下水位的升高，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性極為不利。除了西部地區(qū)覆蓋大量砂質(zhì)土外，在已經(jīng)修建的高鐵沿線也存有大量的砂質(zhì)土，特別是濕地地區(qū)，例如京滬高鐵沿線經(jīng)過(guò)黃河濕地，存有大量的砂質(zhì)土邊坡。由于砂質(zhì)土邊坡滲透性比一般的黏性土大，在滲透力作用下極易引發(fā)邊坡失穩(wěn)破壞，嚴(yán)重影響著邊坡的穩(wěn)定性。基于此，研究不同地下水位下邊坡穩(wěn)定性對(duì)鐵路的安全運(yùn)營(yíng)和建設(shè)具有重要的意義。

國(guó)內(nèi)外就不同的地下水位對(duì)邊坡地震動(dòng)力響應(yīng)和穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了相關(guān)研究。國(guó)外的G. W.Jia［1］基于粉質(zhì)砂土邊坡的原型試驗(yàn)，研究了地下水位上升和下降對(duì)邊坡破壞模式的影響規(guī)律，得出隨著坡外水位的下降，坡內(nèi)孔隙水壓力表現(xiàn)出明顯的滯后現(xiàn)象，產(chǎn)生朝向坡外較大的外推力，嚴(yán)重影響邊坡的穩(wěn)定性;Griffith［2］和Lane［3］基于強(qiáng)度折減法研究了水位變化對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響規(guī)律，得出安全系數(shù)隨著水位增加表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì);Dawson［4］則利用有限差分法和強(qiáng)度折減法對(duì)飽水土質(zhì)邊坡進(jìn)行了計(jì)算。國(guó)內(nèi)的黃帥等［5］基于時(shí)程分析法研究了地下水位變化對(duì)邊坡地震穩(wěn)定性的影響;戴繪［6］研究了降雨過(guò)程與雨停后浸潤(rùn)線變化規(guī)律;周靖人［7］研究了不同降雨強(qiáng)度下，地下水位埋深的變化對(duì)厚沖積層邊坡的安全系數(shù)的影響規(guī)律。然而這些研究大多針對(duì)地下水位單一荷載的影響，而較少考慮地震荷載的影響，而邊坡的防護(hù)設(shè)計(jì)中地震荷載是必須考慮的因素。因此，本研究基于邊坡的有限元模型考察地下水位變化和地震共同作用下邊坡的穩(wěn)定性。

1 邊坡地震穩(wěn)定性的數(shù)值仿真分析

1.1 有限元模型

邊坡的高度為12 m，坡度為35°，建立的仿真模型如圖1 所示，為保證計(jì)算的精度，本模型劃分的網(wǎng)格最大尺寸小于地震波最短波長(zhǎng)的1/10 ～1/8。邊坡所在地區(qū)基本烈度為7 度，設(shè)計(jì)基本加速度為0.1g。模型采用莫爾－庫(kù)侖本構(gòu)模型。左側(cè)和右側(cè)邊界采用水平位移約束，底部邊界采用豎向位移約束，其他邊界為自由邊界。為了分析在地下水位變化對(duì)邊坡不同位置的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和孔隙水壓力的影響規(guī)律，定義邊坡模型底部為零水位線，邊坡水位線最高位置為地下水位高度。

圖1 邊坡模型Fig.1 Model of the slope

基于室內(nèi)直剪試驗(yàn)測(cè)的邊坡巖土(砂土)的物理參數(shù)如表1 所示。

表1 邊坡材料參數(shù)Table 1 Material parameters of slope

1.2 地震波的選取

邊坡所在地區(qū)基本烈度為7 度，場(chǎng)地為II 類(lèi)場(chǎng)。參考日本《道路橋示方書(shū)－同解說(shuō)v. 耐震設(shè)計(jì)篇》(2002)，選用遠(yuǎn)場(chǎng)地震波(Type I:T1－II－1 和T1－II－3)和近場(chǎng)地震波(Type II:T21－II－1 和T2－II－3)以及EIcentro 地震波進(jìn)行分析。如圖2 所示。

圖2 地震波時(shí)程曲線Fig.2 Time history of the earthquake wave

2 地下水位對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響分析

2.1 對(duì)邊坡抗剪性能的影響分析

對(duì)邊坡在不同地下水位下的剪應(yīng)力和剪應(yīng)變進(jìn)行了分析，如圖3 ～圖5 所示(選取20 m 水深為例)。

圖3 EICentro 地震下邊坡剪切應(yīng)力應(yīng)變Fig.3 The shear stress and strain of slope under EICentro

圖4 T1－II－1 地震下邊坡剪切應(yīng)力應(yīng)變Fig.4 The shear stress and strain of slope under T1－II－1

圖5 T2－II－1 地震下邊坡剪切應(yīng)力應(yīng)變Fig.5 The shear stress and strain of slope under T2－II－1

由圖3 ～圖5 可知，在地震作用下，坡腳的剪應(yīng)力－剪應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出滯回特性。隨著地震的持續(xù)作用，由于邊坡坡腳發(fā)生了明顯的塑性變形，使得其滯回曲線的平衡位置不斷地改變。隨著地下水位的升高，邊坡的剪應(yīng)力－剪應(yīng)變滯回圈表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，即邊坡的剪應(yīng)力－剪應(yīng)變滯回圈向遠(yuǎn)離坐標(biāo)中心方向延伸，說(shuō)明地下水的存在對(duì)坡腳的抗剪能力有較大影響。主要原因是地下水的存在使得土層含水率增大，坡腳位置為地下水滲出位置，土體在滲透力和孔隙水壓力的共同影響下有效應(yīng)力降低，地震發(fā)生時(shí)邊坡極易發(fā)生剪切破壞。在不同地下水位下，遠(yuǎn)場(chǎng)地震對(duì)邊坡坡腳抗剪能力的影響要大于近場(chǎng)地震。

2.2 對(duì)邊坡主應(yīng)力的影響分析

提取了沿邊坡高度的最大主應(yīng)力，如圖6 ～圖8所示(選取22 m 水深為例)。

圖6 EICentro 地震作用下邊坡的第一有效主應(yīng)力Fig.6 The first principal effective stress of slope under EICentro

圖7 T1－II－1 地震作用下邊坡的第一有效主應(yīng)力Fig.7 The first principal effective stress of slope under T1－II－1

圖8 T2－II－1 地震作用下邊坡的第一有效主應(yīng)力Fig.8 The first principal effective stress of slope under T2－II－1

由圖6 ～圖8 可知，隨著地下水位的升高，在不同類(lèi)型地震作用下邊坡的第一有效主應(yīng)力整體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，EICentro 地震作用下水位高度24 m 時(shí)的第一有效主應(yīng)力在監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、C、E、G、H、I、J 位置(如圖1(b))比0 m 水位(圖件從略)時(shí)分別增大了8.7%、3.27%、1.75%、1.50%、1.53%、1.50% 和0.4%。遠(yuǎn)場(chǎng)地震T1－II－1 作用下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、C、E、G、H、I、J 位置的第一有效主應(yīng)力比0 m 水位時(shí)分別增大了10.53%、5.69%、3.19%、25.04%、10.48%、10.94%和9.88%;T1－II－3 作用下邊坡不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的第一有效主應(yīng)力在監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、C、E、G、H、I、J 位置比0 m 水位時(shí)分別增大了4.0%、2.12%、0.8%、30.59%、11.57%、15.49%和21.24%。近場(chǎng)地震T2－II－1 作用下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、C、E、G、H、I、J 位置的第一有效主應(yīng)力比0 m 水位時(shí)分別增大了0.21%、0.7%、11.46%、38.10%、19.96%、17.68% 和18.31%;T2－II－3 作用下監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、C、E、G、H、I、J 位置的第一有效主應(yīng)力比0 m 水位時(shí)分別增大了9.40%、1.11%、8.84%、37.79%、24.42%、14.57%和7.46%。由此可知，隨著地下水位的增加，邊坡的第一有效應(yīng)力減小，在近場(chǎng)地震作用下其減小幅度要大于遠(yuǎn)場(chǎng)地震和EICentro 地震作用下的減小幅度;而在不同地下水位下，遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用的邊坡第一有效主應(yīng)力要大于近場(chǎng)地震作用，說(shuō)明隨著地下水位的增加，近場(chǎng)地震作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響更大。

3 地下水位對(duì)邊坡動(dòng)力安全系數(shù)的影響分析

計(jì)算了邊坡在T1－II－1、T1－II－3、T2－II－1 和T2－II－3 作用下無(wú)地下水及水深H=20 m 時(shí)的動(dòng)力安全系數(shù)，并與《GB50111—2006 鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的擬靜力法計(jì)算的邊坡安全系數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析，如圖9 所示。

圖9 近遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用下邊坡的安全系數(shù)Fig.9 The safety factor of the slope under near and far field earthquake

由圖9 可以看出，地震作用下邊坡的安全系數(shù)隨著地震的持續(xù)作用上下波動(dòng)，而規(guī)范中的擬靜力法計(jì)算的邊坡安全系數(shù)為一定值。在邊坡無(wú)水時(shí)，擬靜力法計(jì)算的安全系數(shù)值位于動(dòng)力安全系數(shù)波動(dòng)值的中部偏下;有地下水影響時(shí)，隨著地下水位的升高，擬靜力法計(jì)算的安全系數(shù)值開(kāi)始移向動(dòng)力安全系數(shù)波動(dòng)值的中部偏上，且動(dòng)力安全系數(shù)的最小值比擬靜力法的靜力安全系數(shù)小。H=20 m 時(shí)，動(dòng)力安全系數(shù)的最小值比擬靜力法的安全系數(shù)在T1－II－1 地震作用時(shí)減小了21.30%，T2 －II －1 地震作用時(shí)減小了18.13%。因此，在有地下水影響時(shí)，基于擬靜力法計(jì)算的邊坡安全系數(shù)進(jìn)行邊坡地震穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)有一定的風(fēng)險(xiǎn)。地下水位H=20 m 時(shí)，邊坡的動(dòng)力安全系數(shù)比無(wú)水時(shí)明顯降低，在T1－II－1 地震作用時(shí)最大減小了27.60%，T2－II－1 地震作用時(shí)減小了26.98%。故地下水的存在對(duì)邊坡穩(wěn)定性具有較大的影響。

4 結(jié) 論

(1)近遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用下，邊坡坡腳的剪應(yīng)力剪應(yīng)變表現(xiàn)出滯回性能，且隨著地震的持續(xù)作用，由于邊坡發(fā)生了明顯塑性變形，其滯回平衡位置不斷改變。

(2)隨著水深的增加，地下水對(duì)邊坡坡腳抗剪能力的影響逐漸增大，且遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用時(shí)，邊坡坡腳的剪應(yīng)力－剪應(yīng)變滯回延伸較大，說(shuō)明遠(yuǎn)場(chǎng)地震對(duì)邊坡坡腳的抗剪能力的影響要大于近場(chǎng)地震。

(3)地下水位越高，對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響越顯著。在邊坡無(wú)地下水時(shí)，擬靜力法計(jì)算的安全系數(shù)值位于動(dòng)力安全系數(shù)波動(dòng)值的中部偏下;而隨著地下水位的升高，擬靜力法計(jì)算的安全系數(shù)曲線開(kāi)始移向動(dòng)力安全系數(shù)波動(dòng)值的中部偏上。因此，當(dāng)?shù)叵滤簧邥r(shí)，擬靜力法計(jì)算的邊坡安全系數(shù)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性評(píng)估將具有一定的潛在風(fēng)險(xiǎn)性。

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