地震荷載作用下堆載影響機場滑坡穩定性的數值計算分析

劉 波

(四川省地質礦產勘查開發局404地質隊,四川西昌 615000)

在公路、鐵路、水利水電等眾多領域建設過程中，經常會遇到各種地形地貌的邊坡，邊坡在人為因素和自然因素的作用下會發生滑坡，其中堆載是引發滑坡的重要原因之一。目前，國內外已有許多學者對引發滑坡的原因開展了一系列的研究。董夫錢[1-2]等發現堆載不僅直接改變邊坡的穩定性，還會影響地下水的滲流條件。李樹森[3-4]等對順層坡發生破壞進行力學分析，建立了破壞的力學模型。陳春利[5]等發現堆載會改變坡體內部應力分布，導致坡體中下部土體剪應力逐漸增大，邊坡穩定性隨之降低，最終失穩。王洪兵[6]等發現中部及坡腳堆載對邊坡穩定有利，坡頂堆載對其穩定極不利。孫紅月[7]等發現堆載使坡體產生垂直方向的壓縮變形，也使坡體向坡腳方向產生一定的擠出變形。但是，目前同時把堆積荷載和地震荷載一起作為影響邊坡變形破壞的研究較少。因此，本文以貴州威寧機場13#斜坡為典型實例，采用數值模擬的方法，對在僅受地震荷載作用和堆載與地震荷載綜合作用兩種工況條件下斜坡的位移和塑性區進行計算，據此分析其變形破壞規律。

1 滑坡概況

威寧機場13#滑坡所在斜坡位于機場北端近中軸線部位，艷陽溝北東側上方，斜坡右側發育一條溝谷，整體地形受溝谷切割呈凸狀地形，整體地勢西高東低，最高點位于坡頂分水嶺處，高程2 454 m，最低處位于沖溝下游斜坡坡腳，高程2 362 m，相對高差約92 m。整個滑坡坡面呈折線型，上下部坡度較陡，中部坡度較緩。滑坡上部大體為一直線坡，坡度約16 °，分布高程2 408.6～2 440.0 m，長約110 m，寬50～105 m；滑坡中部地形相對較緩，整體坡度約9 °，分布高程2 391.1～2 408.6 m，長約90 m，寬105～140 m；下部坡度變陡，約18 °，分布高程2 360.6～2 391.1 m，長約130 m，平均寬度約60 m。

滑坡整體呈SE向展布，滑動主方向為99 °，滑坡平面形態呈長舌型，后緣最寬約105 m，平均寬度約75 m，前緣最寬處約115 m，平均寬度約60 m，滑坡體長度約330 m，平均厚度約10 m，滑坡面積約25 533 m3，總體積約25.5×104m3。

滑坡內巖性主要為二疊系下統梁山組砂巖、炭質頁巖和泥巖，石炭紀上統馬平群白云質灰巖和第四系粉質黏土及粉質黏土夾碎石。斜坡巖性分為2層，上層以第四系粉質黏土及粉質黏土夾碎石為主，碎石母巖以砂巖為主；下層巖性為強風化泥巖、砂巖、炭質頁巖互層，產狀紊亂，連續性差。滑床為傾向坡外的中風化炭質頁巖及砂巖互層，巖體較完整。根據滑坡體形態和形成條件分析，該滑坡類型為推移式巖質古滑坡。

2 地震荷載模擬方法和Flac3D計算方法

2.1 地震荷載的模擬方法

地震荷載作用下邊坡穩定性分析的方法包括動力分析法和擬靜力法等。動力分析方法雖然精度較高，但是由于需要較深的專業知識和技能，對工程師素質要求較高且操作復雜，其計算結果的評價也不容易。擬靜力法計算方法簡單、計算量小、參數易于確定，并已有豐富的使用經驗，易被工程設計人員接受[8-9]。

擬靜力法就是將地震荷載簡化為水平方向和豎直方向不變的慣性力，然后根據極限平衡法和有限元強度折減法計算得到邊坡擬靜力法安全系數[10-11]。在實際情況下，豎直方向的地震加速度對許多結構的破壞要比水平方向的地震加速度大。因此，本文在考慮地震荷載作用時，只加載了豎直方向上的加速度。

本文運用擬靜力法，將地震荷載簡化為豎直方向加速度來模擬地震作用對滑坡穩定性的影響。根據G50011-2010《建筑抗震設計規范》和中國地震烈度區劃圖(1990)，該滑坡區實際地震烈度為6度，設計地震豎直加速度為0.0 637g。

2.2 Flac3D計算方法

2.2.1 三個基本條件

采用Flac3D軟件進行數值計算時，必須確定三個部分：

(1)有限差分網格，網格用來定義分析模型的幾何形狀。

(2)本構關系和材料特性，用來表示模型在外力條件下的力學響應特征。

(3)邊界條件和初始條件，用來確定模型的初始狀態[12]。完成三個基本條件定義之后，即可進行模型的自重計算，接著施加地震荷載。

2.2.2 Flac3D的優點

(1)采用混合離散法來模擬材料的塑性破壞和塑性流動，比有限元法中的離散集成法更準確、合理。

(2)模擬物理上的不穩定過程不存在數值上的障礙。

(3)采用顯示差分法求解微分方程，不形成剛度矩陣且每一時步變形小，可以大大節約內存和時間。

3 數值計算分析

3.1 計算工況

把堆積荷載作為影響斜坡穩定性因素，數值計算可以分為兩種計算工況，工況1：自重荷載和地震荷載；工況2：堆積荷載、自重荷載和地震荷載。

3.2 數值模型

13#斜坡一共可以簡化為4層介質，由于各個介質空間位置相互聯系，邊坡可以劃分為4個區域。如圖1所示，模型X方向為斜坡滑動方向，X正向指向SE方向，Y方向指向滑坡體內部，Z方向指向重力相反的方向。X方向范圍為0～50 m，Y方向范圍為0～450 m，Z方向范圍為2 356～2 448 m。

圖1 兩種計算工況

3.3 邊界條件

Flac3D可以施加包括應力、速度和位移等邊界條件。本次數值模擬的邊界條件采用位移邊界條件，設置如下：底部邊界(X、Y和Z)的位移為0，左右側邊界X方向位移為0，Y和Z方向自由，前后側邊界X和Z方向自由，Y方向位移為0。

3.4 計算結果分析

通過Flac3D軟件計算邊坡模型時，采用彈塑性模型，摩爾-庫倫屈服準則，將整個數值模擬分為兩步：第一步是施加自重，第二步是施加地震荷載。分別在兩種工況下計算邊坡的穩定性，分析位移和塑性區。計算結果見圖2。

圖2 位移計算結果

由圖2所示的位移云圖可知，在工況一條件下，邊坡z向移分布均勻，從上到下逐漸減小，等值線平滑，最大位移發生在坡頂，其值為8.68 mm。總位移分布和Z向位移相似，最大位移也出現在坡頂，其值為8.68 mm。在工況二條件下，整個填筑體都發生了較大位移，其中Z向位移最大值集中在坡體右上角，大小為20.80 mm，坡腳有較小的隆起，大小為7.91 mm；總位移最大值發生在坡腳，大小為25.90 mm。

通過兩種工況下位移云圖分析可知，斜坡堆載后，在地震荷載作用下，坡體豎向位移最大值由坡頂轉到堆積體，總位移最大值由坡頂轉到坡腳，且坡腳發生隆起，最大值有明顯增大，增大幅度為17.22 mm。

由圖3所示塑性區云圖可知，在工況一條件下，即坡體未發生塑性變形，處于穩定狀態，軟弱夾層中零星分布著一小部分塑性區，但并不影響整個滑坡的穩定性。在工況二條件下，坡體出現大面積塑性區，主要分布在軟弱夾層中，說明該部分坡體曾達到屈服強度，已經發生剪切破壞，并影響了滑坡的穩定性。

圖3 塑性區分布

通過兩種工況下塑性區云圖的分析，堆載前，坡體未發生塑性變形，處于穩定狀態；堆載后，邊坡出現貫通的塑性區，導致滑坡位移較大。

4 結論

對兩種工況下斜坡穩定性計算分析結果表明：

(1)在地震荷載作用下，堆載后，邊坡豎向位移增大且坡體向坡腳方向發生擠出變形，邊坡填筑體有較大位移，位移最大值從坡頂轉移到填筑體，最大值由8.68 mm變為25.90 mm，位移發生明顯增大。

(2)在地震荷載作用下，堆載前坡體未發生塑性變形，堆載后邊坡出現明顯的貫通塑性區，發生剪切破壞，導致填筑體沉降變形大。