基于FLAC的某工程地震作用下的邊坡穩定性分析

2021-09-03 12:10:38殷俊文

黑龍江水利科技 2021年8期

殷俊文

(五寨縣水利局，山西五寨 036200)

0 引言

地震是一種較為頻發的地質現象，在地震過程中，釋放大量的能量，將誘發大量、大規模的地質災害。地震誘發地質災害與一般情況相比，具有運動距離遠、規模大、數量多、破壞性強等特點。因此，需要重視對地震誘發地質災害的研究。邊坡工程是工程建設過程中經常遇到的問題，人類工程活動擾動下，邊坡巖土體出現了應力充分部現象，可能造成邊坡穩定性降低等結果。在考慮地震影響下，分析邊坡穩定性情況具有十分重要的研究意義。目前，已有較多的專家學者，對地震作用下邊坡穩定性情況進行了研究。在邊坡動力穩定性研究中常用的方法包括：數值模擬、物理模型試驗等。通過多種方法，可對地震作用下，邊坡的力學響應和變形機理進行再現模擬，對獲取邊坡變形本質具有良好的效果[1-2]。

與物理模型試驗相比，采用數值模擬方法具有建模簡單、計算速度快、費用低等優勢，結合計算機，可在較短時間內完成多組試驗，從而分析不同坡體結構、動力特性對邊坡穩定性的影響。目前，在邊坡動力研究中，通常采用強度折減法、地震超載法進行分析，結合某工程實例，采用強度折減法、地震超載法對邊坡穩定性進行研究。

1 計算理論與方法

1.1 強度折減法

強度折減法的計算原理較為簡單，在保持地震荷載不變的情況下，對邊坡的抗剪強度參數(內聚力c、內摩擦角φ)等按照一定的關系進行折減，利用折減后的抗剪強度參數(c1、φ1)，對邊坡進行動力穩定性分析。采用強度折減法進行抗剪強度參數折減的方法如下：

(1)

式中：F為動力安全系數，表示邊坡達到臨界失穩時，抗剪強度參數的折減程度。

1.2 超載系數法

超載系數法是另一種常用的計算方法，與強度折減法不同的是，超載系數法不改變邊坡巖土體的強度參數，通過改變地震荷載的大小，使得邊坡在地震動荷載影響下失穩破壞，此時，地震超載系數即為安全系數，采用下式計算：

d=K×a

(2)

式中：K為超載系數；a和d分別為邊坡設防地震峰值加速度和邊坡臨界破壞時的地震峰值加速度。

2 實例應用

2.1 工程概況

某工程邊坡主要是為了保證工程建設而形成，邊坡開挖后形成的永久性邊坡高度約為68.0m。邊坡巖體主要為全風化、強風化、弱風化千枚巖，邊坡采用分級開挖的方式進行開挖，邊坡共分為6級邊坡，從下至上每級邊坡高度分別為10.0m、10.0m、10.0m、10.0m、10.0m、8.0m。根據現場調查以及監測資料，邊坡現狀整體穩定性較好，但淺表層易出現滑動破壞現象。邊坡工程剖面見圖1。

圖1 邊坡工程地質剖面圖

2.2 邊坡有限元模型的建立

邊坡穩定性分析采用FLAC軟件，該軟件在邊坡數值模擬分析中極為常用。采用有限元數值模擬方法對邊坡進行穩定性研究時，需要確定合理的邊界條件，方可保證計算結果與原型較為接近。為了充分考慮邊坡的影響范圍，設計模型總高度為136m，坡腳距離模型左、右邊界距離為100m、180m。建立的FLAC數值模擬模型如圖2所示。

數值模擬計算分析采用Mohr-Coulomb屈服準則，在模型底部選用等效一致黏彈性邊界條件，這主要是考慮到，建筑邊坡場地距離斷裂帶距離較遠，采用該模型邊界可反映遠域地基輻射阻尼對地震波的影響，地震波輸入區域為模型底部，采用有限元計算，模型材料計算參數見表1。

表1 巖體材料物理力學參數

根據《水電工程水工建筑物抗震設計規范》(NB35047-2015)，采用規范反應譜作為地震波參數，阻尼比5%、動力放大系數為2.5，水平、豎向峰值加速度分別為0.2g、0.133g，地震波影響總時長為20s，地震加速度時程曲線見圖2。

(a)人造波1水平向 (b)人造波1豎直向

3 不同方法數值模擬結果分析

3.1 強度折減法數值模擬結果

采用強度折減法數值模擬計算結果見圖3。從圖3中可知在F=1.3、F=1.6、F=1.85、F=1.88等條件下的塑性區分布情況，隨著安全系數F不斷增大，塑性區分布范圍不斷增大，當F=1.3時，塑性區僅在坡體中部分布，當F增大至1.90時，在坡體內部形成了較為貫通的塑性區。塑性區主要分布于全風化千枚巖、強風化千枚巖區域，巖土體強度參數對邊坡動力穩定性影響較大。