探究巖質(zhì)邊坡動力穩(wěn)定性方法研究現(xiàn)狀

王治宇

（華北水利水電大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450003）

地震對邊坡穩(wěn)定性的影響一直是多山區(qū)和地震多發(fā)國家或地區(qū)最為關(guān)注的問題之一。中國西南地區(qū)位于環(huán)太平洋地震帶和地中海—喜馬拉雅山地震帶之間，是世界上最大的大陸地震帶[1]。這使得中國西部多省地震災(zāi)害頻發(fā)。隨著國家“西部大開發(fā)戰(zhàn)略”的不斷推進和國民經(jīng)濟建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展，近些年來各種大型基礎(chǔ)設(shè)施項目，如南水北調(diào)西線工程、西電東送工程等大型工程項目，以及山區(qū)高速公路和鐵路網(wǎng)的修建正在實施或準(zhǔn)備建設(shè)。開展地震荷載作用下巖質(zhì)邊坡的動力響應(yīng)研究，對于預(yù)防地震對邊坡可能會造成的危害，保障邊坡工程施工安全，保護沿邊坡重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，促進國家“西部大開發(fā)戰(zhàn)略”的按計劃執(zhí)行具有重要的經(jīng)濟和社會意義[2]。特別是2008 年的四川省阿壩州汶川地震，不僅造成了大量的財產(chǎn)損失與人員傷亡，在地震后間接誘發(fā)了山體滑坡、崩塌等大量地震災(zāi)害，其中山體滑坡、崩塌約5.6 萬起，引起了約1 萬多起潛在地質(zhì)災(zāi)害，主要是巖石崩塌[3]。在此之后，國內(nèi)對研究地震作用下邊坡動力穩(wěn)定性的熱度越來越高。

目前，對于巖質(zhì)邊坡在地震作用下的穩(wěn)定性研究主要集中在邊坡安全系數(shù)、邊坡動力響應(yīng)和地震荷載下邊坡失穩(wěn)變形破壞特征方面，主要的方法有理論分析法、數(shù)值模擬和振動臺試驗研究。

1 理論分析法

1.1 擬靜力法

目前，對于巖質(zhì)邊坡在地震荷載下的穩(wěn)定性研究大多是采取的擬靜力法。該方法的計算難度低，操作起來方便，在工程中被廣泛運用。TERZAGHI[4]首次將其應(yīng)用于地震邊坡的動力穩(wěn)定性分析，根據(jù)極限平衡理論，將作用在潛在滑動體上的所有力沿滑動面分解，得到沿滑動面的安全系數(shù)。邊坡的安全系數(shù)與邊坡材料抗剪強度指標(biāo)（c，φ）、危險滑移面的形狀和位置以及地震力的大小有關(guān)。LING 等[5]采用擬靜力法對危險滑動面為節(jié)理面的巖質(zhì)邊坡的動力穩(wěn)定性分析，計算了邊坡的永久位移。張爭[6]基于擬靜力法和工程實例，對邊坡坡體穩(wěn)定性做了一系列研究，得到了振動、黏聚力和內(nèi)摩擦角對塊體穩(wěn)定性的影響，隨著破體抗剪強度指標(biāo)的降低，坡體的穩(wěn)定性隨著降低。并提出軟弱結(jié)構(gòu)面的寬度越大，越是能夠阻擋能量的傳輸，對坡體的影響也更小，坡體的穩(wěn)定性越會隨之提高的結(jié)論。SIAD[7]對碎裂狀邊坡利用擬靜力法進行了動力穩(wěn)定性分析。呂擎峰等[8]通過對地震荷載對邊坡的慣性力進行豎向條分后分析，發(fā)現(xiàn)擬靜力法無法給出確定的安全系數(shù)，對擬靜力法的計算方法進行了改進。

1.2 Newmark 滑塊分析法

Newmark 滑塊分析法是NEWMARK[9]在1965 年提出的，該方法是把邊坡潛在滑移的部分簡化為一個在斜面上的滑塊。該方法在邊坡穩(wěn)定性動力分析中得到了廣泛的應(yīng)用，并得到了許多國內(nèi)外學(xué)者重視，在此基礎(chǔ)上進行了更深入的研究。TSAI 等[10]針對滑塊為完全剛體提出了柔性滑塊地震后位移的計算模型，并結(jié)合地形效應(yīng)與柔性滑塊共同影響，構(gòu)建了地震后邊坡發(fā)生位移的預(yù)測模型。LI 等[11]考慮了邊坡結(jié)構(gòu)面不連續(xù)性對邊坡動力響應(yīng)的影響，在此基礎(chǔ)上得到了多滑動面下邊坡的地震后位移計算方法。通過探究不同邊坡坡角、傾角及不同地震荷載下邊坡的變形破壞規(guī)律。并將計算結(jié)果與理論屈服加速度ay做對比，發(fā)現(xiàn)通過Newmark 法得到的邊坡穩(wěn)定性會偏高。黃建梁等[12]通過把sarma 假定引入邊坡動力計算中得到動孔壓，使Newmark 法計算結(jié)果更加合理。BIONDI 等[13]通過相對密度與初始孔壓比相結(jié)合探究對地震加速度系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)在地震作用下屈服加速度系數(shù)會隨著地震頻發(fā)次數(shù)而不斷變化。董建華等[14]研究發(fā)現(xiàn)，地震作用下邊坡產(chǎn)生的永久位移由地震時的位移和地震后的位移兩部分組成，改進了Newmark 法的計算原理，并給出了一種能分析震后位移的計算模型。王思敬等[15]將有限滑動位移的思想結(jié)合之前的巖質(zhì)邊坡的動力分析方法，給出了求解坡體滑移的動力學(xué)方面的思路。

2 數(shù)值模擬方法

隨著計算機科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大量有關(guān)數(shù)值模擬技術(shù)被運用在工程實際問題中。因為數(shù)值計算軟件在使用過程中不用受到邊坡坡體形狀的限制、介質(zhì)連續(xù)與非連續(xù)性等問題的約束，并且能使研究人員直接去分析坡體在地震荷載下失穩(wěn)破壞的機理，使其成為研究邊坡動力穩(wěn)定性的主要方法之一，特別是對于一些在復(fù)雜地質(zhì)條件下的高陡邊坡。當(dāng)前在邊坡動力分析方面運用最廣泛數(shù)值計算方法主要有3 種：有限元分析法（Finite Element Method）、有限差分法（Finite Difference Method）、離散元分析法（Discrete Element Method）。

20 世紀(jì)60 年代CLOUGH 等[16]首次將有限元分析法利用到黏土壩抗震性能的研究中，有限元法在之后就被國內(nèi)外更多的專家學(xué)者運用并深入研究。BROWN等[17]對均質(zhì)邊坡地震作用下剪應(yīng)力的分布做了有限元計算。KOHGO 等[18]比較了在彈塑性材料情況下分別用有限元分析法和極限平衡理論來計算，發(fā)現(xiàn)它們的結(jié)果具有較好的相似性。趙尚毅等[19]利用有限元計算方法對不同屈服準(zhǔn)則條件下的邊坡做了強度折減分析，給出了不同屈服條件準(zhǔn)則之間代換關(guān)系。李永亮等[20]將均質(zhì)土坡、上土下巖邊坡和巖質(zhì)邊坡分別使用有限元強度折減法，提出了3 種邊坡各自適用的失穩(wěn)破壞標(biāo)準(zhǔn)。史石榮等[21]采用ANSYS 有限元軟件以地震區(qū)邊坡坡體材料物理力學(xué)參數(shù)進行強度折減，探究了地震作用下坡體的動力響應(yīng)情況。

使用有限差分法做分析，常用的模擬軟件有FLAC2D和FLAC3D，已有不少學(xué)者利用該軟件對邊坡動力穩(wěn)定性問題做了研究。蔡漢成[22]采用FLAC2D軟件總結(jié)了加速度在水平方向與垂直方向的分布規(guī)律。祁生文等[23]通過大量的數(shù)值模擬探究了不同坡角、坡高、波頻與持時對巖質(zhì)邊坡的動力響應(yīng)規(guī)律。宋健等[24]通過研究汶川地震中失穩(wěn)破壞的邊坡，發(fā)現(xiàn)含斷層的邊坡滑動面多是沿著斷層，于是在FLAC3D軟件模擬了一個含斷層的均質(zhì)邊坡，探究其在地震作用下的失穩(wěn)破壞機制，結(jié)果表明，在地震波作用下，邊坡更容易沿斷層處產(chǎn)生滑移。劉蕾等[25]采用FLAC 軟件與PFC2D軟件進行耦合，探究了反傾邊坡的動力響應(yīng)規(guī)律。劉春玲等[26]通過研究模擬某一實際工程邊坡動力響應(yīng)特征，討論了動力條件下模型邊界的設(shè)置、阻尼獲取地震波的輸入等關(guān)鍵問題。

離散元法多應(yīng)用于非連續(xù)介質(zhì)的邊坡，允許塊體之間發(fā)生位移，對于分析邊坡的變形特征和整體失穩(wěn)破壞過程有明顯優(yōu)勢。李海波等[27]通過UDEC 軟件探討了不同坡角、坡高、巖層傾角及地震波幅值、頻率等因素對順層邊坡穩(wěn)定性的影響。霍逸康等[28]用UDEC 軟件對反傾軟硬互層邊坡穩(wěn)定性的影響因素進行了探究。毛彥龍等[29]采用離散元分析法對邊坡在地震荷載下不同時刻的變形破壞情況進行了研究，并把邊坡失穩(wěn)破壞過程劃分成4 個階段。胡訓(xùn)健等[30]利用PFC2D軟件研究含斷續(xù)節(jié)理的巖質(zhì)邊坡在地震荷載下的失穩(wěn)破壞模式及應(yīng)力演變規(guī)律。石崇等[31]基于PFC2D軟件顆粒流分析方法探究高陡邊坡在地震荷載下的失穩(wěn)破壞機理。

3 振動臺試驗方法

巖石試驗作為巖石力學(xué)的基礎(chǔ)，通過物理模型試驗發(fā)現(xiàn)，在解決實際工程問題和工程地質(zhì)研究方面，也是一種分析邊坡動力響應(yīng)規(guī)律與失穩(wěn)破壞機制的有效手段，同時還可以為數(shù)值模擬的成果提供實驗支持。振動臺試驗被用來研究邊坡動力問題最早是為了解決水利工程問題，在1956 年，CLOUGH 等[32]為了找到能滿足水利建設(shè)需求的同時具有優(yōu)良抗震性能的材料，以黏土邊坡為壩體做了振動臺試驗。之后WARTMAN 等[33]做了多次小型振動臺試驗，探究黏土邊坡在地震荷載變形模式，發(fā)現(xiàn)變形效果在高剪切面上更明顯。CHE 等[34]做了多組含不連續(xù)節(jié)理順層巖質(zhì)坡振動臺試驗，利用有限元法對結(jié)果進行分析，得出當(dāng)輸入地震波的幅值高于一定值后，坡體坡頂處某一部分會沿著滑動面失穩(wěn)破壞。張菊明等[35]通過小型振動臺試驗研究塊體運動學(xué)方面問題，得到了巖石滑塊在滑移時的運動學(xué)微分方程。李振生等[36]以相似比為1∶100 進行了大型邊坡振動臺試驗研究，發(fā)現(xiàn)加速度放大系數(shù)在坡面方向有隨著高度增加而增大的趨勢，并且這種趨勢受地震荷載輸入方向、巖體巖性參數(shù)和結(jié)構(gòu)面等實驗參數(shù)的影響。王存玉等[37]通過設(shè)計多組不同坡體結(jié)構(gòu)的振動臺試驗，得到在地震荷載下，順層邊坡失穩(wěn)破壞模式以沿層面的滑動為主；對于反傾邊坡，失穩(wěn)破壞模式分為塊體傾倒破壞、塊體彎曲—傾倒破壞、坍塌滑動；對于水平層狀邊坡，失穩(wěn)破壞模式主要是坡頂處或靠近坡面的層面產(chǎn)生拉裂和層間錯動。王麗麗等[38]設(shè)計了傾斜狀層狀邊坡，在輸入不同水平動荷載下，探討邊坡的失穩(wěn)變形特征。劉新榮等[39]以水庫誘發(fā)地震這一特征，探討了頻發(fā)小型地震對岸區(qū)邊坡的累計損傷規(guī)律。劉漢香[40]探究了在強震作用下，含軟弱夾層的邊坡失穩(wěn)變形特征。董金玉等[41]通過大型振動臺試驗，得到了順層巖質(zhì)邊坡在地震荷載作用下的動力響應(yīng)特征。張平等[42]把復(fù)雜情況下的邊坡進行了合理的簡化，對不同坡體結(jié)構(gòu)和不同幅值、波頻率、持時等因素進行組合試驗研究，構(gòu)建了計算邊坡震后殘余位移的公式。

4 存在的問題及展望

目前，在工程上廣泛運用的擬靜力法和Newmark滑塊分析法在對邊坡動力問題分析中都存在相當(dāng)?shù)木窒扌浴M靜力法未考慮地震荷載的特性，且其基本假定邊坡為絕對剛體，但實際工程中的邊坡為變形體，無法準(zhǔn)確反映邊坡的動力響應(yīng)特性。Newmark 方法因?qū)δＰ团c計算方法進行了簡化，同時不能考慮震后位移帶來的影響，對邊坡的安全條件不能給出一個具體的標(biāo)準(zhǔn)，使得在實際使用時可信度不高。數(shù)值模擬方法具有操作簡便，并且能解決復(fù)雜地形條件下邊坡動力問題的優(yōu)點，但受自身條件的限制，對于一些構(gòu)造邊坡可能出現(xiàn)計算不收斂的情況，或?qū)δＰ突蛘呤怯嬎銞l件進行簡化，都會對最終結(jié)果的可靠度造成影響。振動臺試驗方法也具有在重力失真效應(yīng)和尺寸效應(yīng)的局限性，同時模型試驗想保證材料完全符合相似原理難度也是很大，比如對含軟弱夾層邊坡的試驗，由于軟弱夾層力學(xué)參數(shù)與周圍巖體差別太大，使模型的軟弱夾層很難滿足相似原理，在今后的研究中，可以開展以下方面的工作。

第一，有關(guān)邊坡動力本構(gòu)關(guān)系需要進一步深入研究，構(gòu)建能滿足動荷載下巖體累計損傷情況和考慮到坡體變形特性的材料強度準(zhǔn)則，同時將現(xiàn)有的本構(gòu)模型結(jié)合動態(tài)斷裂理論來分析裂隙產(chǎn)生及發(fā)展的過程，給出適用地震效果下的巖體動力本構(gòu)模型。

第二，針對水庫誘發(fā)地震對邊坡穩(wěn)定性影響研究較少，同時基本上沒有考慮水體與邊坡的耦合作用以及庫水驟降與地震荷載2 個因素影響下邊坡動力響應(yīng)規(guī)律和失穩(wěn)變形特性，可開展相關(guān)的研究工作。

第三，現(xiàn)有成果主要是對普通邊坡動力穩(wěn)定性問題，但是在高陡邊坡領(lǐng)域的研究很少[43]，現(xiàn)有的地震誘發(fā)滑坡現(xiàn)象表明，傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性分析方法在解決西南地區(qū)的高陡邊坡工程中有較大的局限性。應(yīng)對高陡巖質(zhì)邊坡動力穩(wěn)定性原理進行深入研究。

第四，在今后研究中通過引入另一種研究方法來避免單一研究方法的局限性是目前的研究趨勢，使最終結(jié)果更加可靠。比如以物理模型試驗的方法來驗證數(shù)值模擬的結(jié)果，或是在數(shù)值模擬中耦合連續(xù)介質(zhì)和非連續(xù)介質(zhì)方法。

第五，在振動臺試驗方法中，施加地震荷載的方法主要有單次施加和分多次施加。單次施加荷載是為了研究坡體動力響應(yīng)規(guī)律和失穩(wěn)變形特征，多次施加地震荷載是通過不同的地震波最后使模型被破壞。2種施加荷載方式的不同，得到的結(jié)論往往也存在差異，但是研究人員卻并沒有考慮進去。