地震作用下的高邊坡穩定性及敏感因素分析

楊振甲　楊霜　姜哲（中國水電基礎局有限公司，天津　301700）

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地震作用下的高邊坡穩定性及敏感因素分析

楊振甲楊霜姜哲
（中國水電基礎局有限公司，天津301700）

摘要：以柳林縣孟門鐵路煤炭裝車站儲運裝工程為例，對地震力作用下邊坡的長期穩定性進行了研究，并采取有效措施降低其破壞范圍，同時分析了影響邊坡穩定性的敏感因素，為工程高邊坡的優化設計提供了參考依據。

關鍵詞：邊坡，穩定性，地震波，敏感因素

0　引言

我國山地面積遼闊，出現暴雨、地震等自然災害時，大量的自然邊坡就會頻繁地發生滑坡、泥石流以及崩塌等地質災害，給人們的生命及財產安全造成很嚴重的損失。因此，邊坡穩定性的研究進展一直備受關注。邊坡穩定性的分析方法可分為定量和定性兩種。其中，定性分析法中數值模擬法一直是關注的焦點，這種分析方法對邊坡長期穩定預測與防治起了一定的保障作用。

本文主要以柳林縣孟門鐵路煤炭裝車站儲運裝工程為依托，采用數值模擬的方法對高邊坡在地震力作用下的穩定性進行研究，并對可能影響邊坡穩定性的因素進行敏感性分析，為以后的類似工程實踐提供參考。

1　工程概況

柳林縣孟門煤炭鐵路專用線工程裝車平臺位于山西省呂梁市柳林縣孟門鎮賀龍溝村。工程處在西北黃土高原地帶，其中裝車平臺位于黃土沖溝內，地形切割較深，相對高差約66 m，局部基巖出露。

2　地質條件

3　初步設計方案

該工程周圍邊坡較多，根據地質資料，最高的邊坡相對高差為72 m，為了保證高邊坡的穩定性，對其卸荷開挖，如圖1所示。

根據土質資料及理正軟件計算結果，初步采用分級放坡的方案。邊坡上部主要以黃土為主，直立性較好，采用坡率為1∶1.0，每隔8 m高差設置一級馬道，寬度為2 m，每三級馬道設一級寬10 m的馬道；邊坡下部主要以砂土為主，仍采用分級放坡，坡率為1∶1.75，每三級馬道也設一級寬10 m的馬道；高邊坡共分九級開挖。

圖1　高邊坡示意圖

4　地震工況模擬

4.1邊界條件

地震屬于動力荷載，是一種隨機性很大的荷載，不僅作用的結構點隨機性強，而且在不同地點、強度大小、時間上更是無法預知的。施加動力邊界比靜力邊界能更好的模擬動力荷載的隨機性。

該工程中，地震烈度為6度，場地類型為Ⅱ類。El-centro地震波適合Ⅱ類場地。實測得到地震波是加速度的形式，用matlab所編程序選用拉格朗日二次插值法進行積分，并采用二次多項式對地震波進行修正，得到速度波，如圖2所示。

圖2　速度波

4.2模型的建立

模擬高邊坡工程，主要采用的是離散元與有限元相結合的軟件建立模型。模擬在地震工程下的長久穩定性，在模型的底部施加上面計算得到的地震速度波，模擬地震工況；兩側施加自由場邊界條件，如圖3所示。

4.3動力響應結果

在地震波中橫波對建筑物的影響最大，周期長，振幅最大。本文采用不同的入射角施加地震荷載的形式對比分析，分別為30°，45°，沿豎直方向（縱波），沿水平方向（橫波）幾種入射角度。結果如圖4～圖7所示。

圖3　邊坡模型

圖4　30°入射角6 s時的水平位移圖

圖5　45°入射角6 s時的水平位移圖

圖6　縱波6 s時的水平位移圖

圖7　橫波6 s時的水平位移圖

研究地震波的目的在于邊坡受到各種地震波作用時，破壞較為嚴重的情況是什么，且采取什么措施降低破壞的影響范圍。如圖5所示，地震波以45°入射角時對邊坡穩定性造成的破壞最大。在地震荷載強烈的作用下，高邊坡易發生后緣拉裂破壞，進而導致邊坡整體失穩破壞。邊坡的每級坡腳、臺階處應力集中，易發生破壞，其中最嚴重敏感的區域是邊坡中部即黃土與砂土交叉的地方，為避免出現滑坡或將影響降到最低，建議此處建立擋土墻。邊坡的坡面處土體易滑落，為了人們的安全，應當采取有效地坡面防護措施。

5　敏感因素分析

邊坡放坡開挖設計中，對穩定性起決定性作用的還有坡度、坡高及臺階寬度。本文中主要對邊坡三要素進行敏感性分析，為進一步優化設計奠定基礎。

將坡高、坡角、平臺寬度分別取不同的數值，對模型采用強度折減法計算得出各個參數的安全系數，并繪制曲線進行對比分析，計算結果如圖8～圖10所示。

圖8　單級坡高與安全系數曲線

圖9　平臺寬度與安全系數曲線

圖10　單級坡角與安全系數曲線

從圖8可知，在一定的范圍內，單級坡高越陡，邊坡的安全系數越高，這是由于黃土的特殊性造成的，黃土具有直立性好的優點，因此，在設計中適當增加坡高是適宜的。根據調查資料及邊坡的防護需求，一般可以采用4 m～6 m或者6 m～8 m。平臺寬度與安全系數曲線較平緩，說明在一定范圍內，對邊坡的穩定性影響較小，考慮經濟因素，建議小平臺采用2 m～3 m的寬度。在工程中，當分級級數較多時，可以采用小平臺與大平臺結合的方式，中部可設置較寬平臺，提高邊坡整體穩定性及獨立性。坡角是對邊坡影響較大的因素，按常規計算，坡度越緩，邊坡越穩定，然而在本工程中由于黃土邊坡的存在，坡度較陡反而有利于邊坡的穩定性，但是考慮到邊坡坡面受雨水沖刷的情況影響，邊坡不宜過緩，因此，合理的坡度對邊坡的穩定性有至關重要的作用。

6　結語

本文通過施加不同形式的地震波，對邊坡的長期穩定性進行了預測，通過上述分析可知，高邊坡采用初步設計后，平臺及坡腳應力集中，坡面最容易受到破壞，因此，建議邊坡上部黃土區域可以采用人工植草技術護坡，下部砂土地方可以采用漿砌石護坡，每級的坡腳、馬道、坡頂均應采取防護措施，可以選用漿砌毛石砌筑。

對邊坡的三要素：坡高、平臺寬度、坡角，分別進行敏感性對比分析，可知平臺寬度在一定范圍內改變，對其穩定性影響不大；坡高、坡角對邊坡穩定性影響較大，又由于黃土的特殊性，坡高在其后面優化中可以適當提高，建議采用1∶0.75開挖。采用這種分析方式對以后類似工程起到很有價值的參考作用。

參考文獻：

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［2］劉立平，雷尊宇，周富春.地震邊坡穩定分析方法綜述［J］.重慶交通學院學報，2001，20（3）：83-88.

［3］韓晶晶.地震力和地下水作用下邊坡穩定性分析［D］.成都：西華大學建筑與土木工程學院，2011.

On analysis of high slope stability and sensitive factors under seismic effect

Yang Zhenjia Yang Shuang Jiang Zhe
（Sinohydro Foundation Engineering Co.，Ltd，Tianjin 301700，China）

Abstract：Taking Mengmen Railway coal loading station in Liulin County as the example，the paper researches the long-term stability of the slope under the seismic effect，and undertakes the stability sensibility，so as to provide some reference for the optimal design of the high slope of the project.

Key words：slope，stability，seismic wave，sensitive factor

中圖分類號：TU413.62

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）06-0068-03

收稿日期：2015-12-15

作者簡介：楊振甲（1984-），男，碩士，工程師；楊霜（1988-），女，碩士，助理工程師；姜哲（1985-），男，碩士，工程師