地震與裂隙水壓力耦合時邊坡的力學響應分析

呂存福

（山西誠達公路勘察設計有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

我國是一個地震多發國家，地震發生后通往震中地區的道路暢通是救援工作開展的基礎保障，為了保證震后公路的暢通，公路的抗震穩定性需要滿足規范要求。當地震發生時，若路基邊坡的后緣產生裂縫且降雨后裂縫中充滿降水時，邊坡的穩定性勢必降低，但幅度降低后，公路能否暢通還須進一步深入分析探討。薛偉強等認為，在節理裂隙發育的巖質邊坡，裂隙水壓力降低了巖體的強度和邊坡的穩定性[1]，鄧華鋒等從斷裂力學的角度分析了裂隙水壓力對巖體的影響，得出了I、II 型斷裂的斷裂韌度 KIC、KIIC隨著裂隙水壓力的增大而減小這一結論[2]，莊心善等從巖體塑性極限平衡理論的角度提出了錨桿在充滿裂隙水邊坡的應用[3]，鄧洋通過數值模擬分析認為，在富含地下水的邊坡中，地震作用會促使邊坡坡內產生超靜孔隙水壓力[4]。本文以實際項目為依托，采用數值模擬手段分析了地震力與裂隙水壓力作用下的邊坡力學響應。

1 邊坡靜力穩定分析

1.1 地震力

在邊坡靜力穩定分析中，地震通常以特定的修正系數簡化為作用于邊坡重心處的外力直接參與計算，但是在建筑工程與公路工程中地震的簡化方式有所不同。根據《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330-2013）規定，地震簡化為一個指向坡外的水平靜力參與邊坡穩定分析，如圖1所示。

圖1 《建筑邊坡工程技術規范》邊坡靜力穩定分析

而在公路工程中，根據《公路工程抗震規范》（JTG B02-2013）規定，地震簡化為一個水平地震作用Eh和一個豎向地震作用Ev，兩個地震作用同時參與計算邊坡的穩定性，地震作用方向為不利用穩定的方向，如圖2所示。

圖2 《公路工程抗震規范》邊坡靜力穩定分析

1.2 裂隙水壓力

其中，hBC為BC點間的垂直高度，hAC為AC點間的垂直高度，LBC為BC點間的斜距，LAB為AB點間的斜距，H為A點至坡外靜止水面的高度。

1.3 靜力分析

采用《建筑邊坡工程技術規范》計算時，依據靜力平衡計算原理，將各個力沿著與水平面θ夾角的斜面分解為平行力和垂直力，邊坡穩定性計算公式為：

其中，c為滑裂面處巖土體的黏聚力，，φ為滑裂面處巖土體的內摩擦角。

在不同行業規范的邊坡穩定靜力計算中，地震的簡化模式都不盡相同，得到的邊坡穩定系數存在差異，為了避免這些差異，必要時可采用有限元來模擬分析地震時邊坡的穩定性。

2 數值模擬

2.1 工程概況

某國道為一級公路，位于山西省中部地區，2008年改擴建后一直運營，在邊坡病害排查中發現一處路塹邊坡后緣16m的位置存在裂縫，裂縫寬度為6cm～10cm，深度約為16m，路塹邊坡高度為24m。為精準分析邊坡，開展了地質鉆探。鉆心揭示，邊坡由3層巖土層組成。第一層為碎石：雜色，磨圓度較差，多呈棱角形，一般粒徑為20cm～80mm，最大粒徑約300m，粒徑大于20mm的顆粒質量約占總質量的55%。母巖成分以砂巖為主，骨架呈交錯排列，大部分接觸，疏密不均，充填程度較好，充填物以粉質黏土為主，含量約占總重量的25%，中密；第二層為強風化砂巖：灰綠色，細粒結構，中厚層狀構造，成分以長石、石英為主，節理裂隙發育，巖體破碎，巖芯呈碎塊狀，偶見短柱狀，錘擊聲不清脆，無回彈，較易擊碎；第三層為中風化泥巖：紫紅色，泥質結構，中厚層狀構造，成分以高嶺石、伊利石等黏土礦物為主，節理裂隙較發育，巖體組織部分破壞，巖體較破碎，巖芯多呈短柱狀，一般柱長20cm～30cm，最大柱長50cm，錘擊聲啞，無回彈，有凹痕，易擊碎。

該地區的抗震設防烈度為7度，夏季、秋季的降雨頻繁降雨量較大，在計算分析邊坡穩定性時須綜合考慮裂隙水壓力和地震作用，采用有針對性的處治措施。

2.2 模型建立

為了保證模型的計算準確性，按照鄭穎人院士提出的邊坡數值模擬模型尺寸范圍，若坡高為h，則坡腳距鄰近坡低側邊界的尺寸不小于1.5h，坡頂距離鄰近坡高側邊界的尺寸不小于2.5h，模型整體的邊界高度應大于2h。因此，擬建模型的整體高度為65m，坡腳側水平距離為50m，坡頂側距離為70m。根據地質資料，模型由3層巖土層組成，均采用摩爾-庫侖屈服準則。各土層的基本物理力學性質如表1所示。

表1 各土層基本物理力學性質

為了真實反映地震對邊坡穩定的影響，在數值分析時采用EI-centro 地震波，該地震波由美國的Imperial valley地震中EI-centro臺站記錄，經過濾波、基線修正等處理后，用作模擬計算。在地震模擬分析中，常有的邊界條件為彈性邊界、黏性邊界和自由場邊界，本文計算時采用黏性邊界條件。

2.3 計算狀態

為了全面探討分析地震、裂隙水壓力對邊坡穩定性的影響，本文模擬計算無裂縫邊坡自然狀態、有裂縫邊坡自然狀態、有裂縫邊坡有裂隙水壓力、有裂縫邊坡地震狀態、有裂縫邊坡地震+裂隙水壓力五種情形，分別計算了各種情形下的邊坡安全系數、裂縫位置處的位移及應變云圖。

3 數值分析

3.1 后緣裂縫位置

為了分析邊坡后緣不同位置的裂縫對邊坡穩定性的影響，本文依據工程實際只存在豎向裂縫的條件，分別模擬分析了距離坡頂2.6m、3.6m、4.2m、6.5m、11.4m和16.7m處6條同深度裂縫對邊坡穩定性的影響，以及邊坡不存在裂縫的穩定性，各種情形下邊坡的安全系數如表2所示。

表2 自然狀態下邊坡后緣不同位置裂縫對應的邊坡安全系數

從表2、表3可以看出，當裂縫距坡面為3.6m時，邊坡的安全系數在1左右，若裂縫距坡面距離小于3.6m，邊坡將發生失穩破壞，即在自然狀態下，當裂縫深度約為邊坡高H的2/3時，裂縫距坡面的距離L與坡高H的比值為L/H＜1/6時，邊坡將發生失穩；而當裂縫深度約為邊坡高H的2/3，L/H＜1/4時，邊坡的安全系數將小于規范規定的限值，須采取工程措施治理。從應變云圖可以看出，坡頂后緣沒有裂縫時，邊坡應變最大值位于坡腳處，邊坡破壞形態以滑動破壞為主；而當坡頂后緣存在裂縫時，邊坡應變最大值位于裂縫底部，邊坡破壞形態將以傾覆破壞為主。

表3 自然狀態下邊坡后緣不同位置裂縫的坡頂位移變化

3.2 裂隙水壓力

受降雨影響，坡頂開裂后裂縫會充滿降水，從而在裂縫中產生靜止水壓力，靜止水壓力隨著深度呈線形遞增并均勻作用在裂縫的各個位置，在模型計算中，假定邊坡豎向裂縫全部充滿水，然后計算不同位置裂縫在裂隙水壓力下的邊坡安全系數，結果如表4所示。

表4 邊坡后緣不同位置裂縫存在裂隙水壓力時對應的邊坡安全系數

從表4、表5分析可以得出，裂隙水壓力在同一深度均勻作用于裂縫的各個位置，在裂隙水壓力的作用下，邊坡的安全系數明顯降低，安全系數的降低幅度為自然狀態安全系數的7%～8%，同時，坡頂的位移大幅增加，當L/H＜1/3時，邊坡須采取必要的工程措施。

表5 邊坡后緣不同位置裂縫存在裂隙水壓力時坡頂位移變化

3.3 地震作用

在探討地震作用下邊坡的穩定性分析時，本文重點研究了裂縫距坡面16.7m的情況，為了更為準確地分析地震作用，選取EI-centro地震波中的2.02s、2.04s、2.06s、2.08s、2.1s、2.12s、2.14s、2.16s、2.18s、2.2s共計10個時刻計算邊坡穩定性。在坡體裂隙不存在裂隙水時，2.12s時安全系數最小，此時的安全系數為1.067，安全系數降幅達到28.3%，最終位移為11.468mm；而當坡體裂隙充滿水時，2.16s時的安全系數最小，此時的安全系數為1.045，安全系數降幅達29.8%，最終位移為13.85mm，由此可以看出，當同時存在地震作用和裂隙水壓力時，地震作用起主導作用。

4 治理方案

為了確保干線公路的暢通、及時消除安全隱患，首先在坡面打入滲水土工布包裹的半花管，將裂隙中的水全部排出，降低裂隙水對邊坡的影響，然后在坡頂裂隙范圍內換填30cm的石灰土，防止降水再次進入裂隙。最后，采用框架錨索整體加固邊坡，提高邊坡整體穩定性。通過監測，該邊坡的變形得到有效控制，坡頂沒有新的裂縫產生，取得了較好的處治效果。

5 結束語

在邊坡靜力分析計算時，應注意不同行業規范的差異性，地震作用在建筑行業和公路行業簡化計算中存在著顯著不同，須謹慎對待；當坡頂后緣沒有裂縫時，邊坡以滑動破壞為主，而當坡頂后緣存在裂縫時，邊坡以傾覆破壞為主；當裂縫深度約為邊坡高H的2/3時，自然狀態下，裂縫距坡面的距離L與坡高H的比值為L/H＜1/6時，邊坡將發生失穩，當L/H＜1/4時，邊坡須采取工程措施治理，當裂隙充滿水時，L/H＜1/3時，邊坡須采取必要的工程措施；僅存在裂隙水時，邊坡的安全系數將降低7%～8%，而僅存在地震作用時，邊坡的安全系數將降低28.3%，二者同時存在時，邊坡的安全系數將降低29.8%，地震作用在邊坡穩定中起主導作用。