地震動力作用對土質邊坡穩定性的數值模擬分析研究

王 旭

(黑龍江省慶達水利水電工程有限公司，哈爾濱 150080)

1 緒 論

在影響土質邊坡穩定性因素中，地震荷載是產生地震滑坡等現象的主要因素，通常地震荷載帶來邊坡的地震慣性力，降低整體邊坡的穩定系數，下滑力加大導致出現邊坡失穩。地震動力響應分析主要研究地震動荷載引起邊坡的位移、應力、速度、加速度等量值的變化[1]。FLAC3D有限元分析軟件基于強度折減法原理，研究邊坡破壞的機理機制，可深入掌握動荷載作用下的邊坡穩定性和失穩原理，進而有效提升加固措施保證邊坡安全。

2 動力有限元分析原理

FLAC3D模擬三維巖土體在不同載荷作用下的非線性響應，步驟主要包括如下：①計算自重荷載下的初始應力；②選取動力分析模塊，進行動力分析計算[2]。

動力荷載輸入方式：加速度時程，速度時程，應力時程和集中力時程。動力荷載主要表現形式：①FISH函數。②TABLE命令定義的表。影響波傳播的數值精度主要有巖土體的波速特性和輸入波的頻率成分。

邊界條件定義，彈性波在巖土體邊界處會產生反射，造成計算結果出現較大誤差，本程序擬采用靜態邊界和自由場邊界結合的方式來解決。

3 工程實例

3.1 模型建立

某邊坡模型高10m，坡率1∶0.5， 坡腳63°，地質構造是水平層狀結構，分為兩層，上層Q4黃土，高度地面下4m，下層Q3黃土，均勻土體厚度10m。邊坡設為彈塑性材料，土體模型采用實體(zone)單元模擬[3]。邊坡巖體物理力學參數如表1所示，原始邊坡網格劃分如圖1所示。

表1 邊坡物理力學參數

圖1 邊坡有限元網格剖分圖

邊界條件：上部為自由邊界，不受約束；左右兩側水平約束；下部固定，法向約束，阻尼比0.142[4]。

3.2 地震波輸入

該區基本設防烈度6度，文章選取地震波加速度為0.05g，波持續時間21.40s[5]。地震波加速度如圖2所示。

圖2 地震波加速度

3.3 計算結果

關鍵點布置情況如圖3所示。通過數值計算，提取坡頂關鍵點a、斜坡面上關鍵點b、滑動區域內關鍵點c和d、相對不滑動區域關鍵點e和f的位移、速度、加速度時程曲線，關鍵點的水平、豎向位移如圖4-圖6所示。

圖3 關鍵點布置圖

圖4 關鍵點水平位移時程曲線

圖5 滑動區關鍵點水平位移時程曲線

圖6 非滑動區關鍵點水平位移時程曲線

由上圖可以看出，地震荷載施加后關鍵點的水平、豎向位移最終趨于水平，數值收斂，沒有發生突變，表明邊坡保持穩定，該邊坡在地震烈度小于設計烈度時，具有良好的抗震效果。

關鍵點的速度時程如圖7-圖9所示。

圖7 坡頂和坡面上關鍵點速度時程圖

圖8 滑動區關鍵點速度時程圖

圖9 相對不滑動區關鍵點速度時程圖

由圖可以看出質點速度大小為：坡頂>坡面>滑動區>相對不滑動區。在地震荷載施加后關鍵點的速度呈上下波動現象，隨著荷載作用結束關鍵點速度最終為零，速度數值收斂，未發生突變，表明邊坡保持穩定，該邊坡在地震烈度小于設計烈度時，有良好的抗震效果。

關鍵點的水平、豎向加速度時程如圖10-圖11所示：

圖10 關鍵點水平加速度時程圖

圖11 滑動區關鍵點水平加速度時程圖

由圖可知，隨著地震荷載作用，坡頂、斜坡面上、滑動區域、相對不滑動區內關鍵點加速度時程變化均上下振動，最終趨于零。坡頂、斜坡面上和滑動區域內關鍵點的加速度明顯大于相對不滑動區域，隨著邊坡不斷增高，關鍵點加速度峰值越大，地震加速度作用愈顯著，水平方向加速度的放大效果明顯大于豎直方向。

4 結 論

文章基于有限元動力分析原理，建立地震作用下的邊坡分析模型，計算分析地震結束時刻邊坡的水平和豎向位移、邊坡上關鍵點的位移、速度、加速度時程變化，研究設計地震力作用下邊坡的動力響應問題。結果表明地震結束時坡頂和土層分界處發生較大的位移，有小部分的滑動但未貫通整個邊坡，說明邊坡是安全穩定的。