基于FLAC3D的層狀巖石邊坡抗震穩定性數值模擬分析

摘 要：為研究地震作用下層狀巖石邊坡的穩定性，以西南地區的典型邊坡為原型，使用FLAC 3D軟件建立數值模擬模型，在指定的地震動荷載條件下計算開挖后不同的邊坡形態對穩定性產生的影響，以現行規范為參照，得出在地震作用下容許的最大邊坡開挖高度和坡度，同時指出其破壞的外觀表現為橫向擴展或順層滑移等形式。

關鍵詞：地震;巖石;層狀邊坡;FLAC3D;穩定性

由于邊坡內部層狀分布的特性，層間空隙及軟弱層的存在使得動荷載在坡體中傳遞時可能誘發滑坡或垮塌。在地震作用下這一類型的邊坡的破壞機理一直是有待探索的方向。本文基于FLAC3D軟件的建模以及動力時程分析方法[1]，對某實際工程的順層巖質邊坡施加地震荷載，進行相關穩定性分析，結合現行相關規范，提出該工點的臨界安全坡高及坡度。

一、工程概況

建立模型時，參考了西南地區典型邊坡的巖土數據，天然未開挖狀態下邊坡的坡度約為20～30°，巖層產狀傾角約為20°。邊坡高度較大，坡表層面清晰坡內層面緊閉而粗糙為典型硬質巖順層邊坡[2]。各巖層按照風化程度可分為強風化、弱風化、微風化巖石。邊坡巖體物理力學參數如表1所示。

二、模型設置

模型高度為h，縱向邊界為水平線以下5m，y方向的寬度取20m，模型采用FLAC3D支持的庫倫-摩爾計算準則，同時通過 “interface”命令給巖層層面的c、φ值以及法向剛度等賦值，如圖1。

地震波采用汶川地震波節選部分[3]，峰值加速度為0.30g，地震數據時間間隔為0.02秒，持續時間取4s，其加速度時程如下圖所示。

根據邊坡外觀尺寸的不同建立了相關模型，外觀尺寸參數中坡高包括10m、15m、20m、25m、30m、40m、50m、60m，坡率包括1：1.5、1：1.2、1：1、1：0.75、1：0.5。

三、安全臨界坡高坡度計算

依據我國現行的《公路工程抗震規范》（JTG B02-2013）的規定[4]：采用靜力法對路基進行抗震穩定性驗算時，高速公路和一級公路、二級公路路基邊坡高度大于20m的，路基邊坡抗震穩定系數不應小于1.15，路基邊坡高度小于或等于20m的，不應小于1.1。

坡度1：1高度20m的邊坡模型，計算所得安全系數為1.00，但觀察其震后位移時程曲線和最大剪應力云圖（圖3）可知，在地震后仍持續產生位移，趨向失穩狀態發展。其余邊坡尺寸的安全系數計算如表2。

插值后可得出地震作用下該邊坡的臨界安全坡度及高度如表3。

四、結論

（一）邊坡高度、坡度與邊坡穩定性呈負相關。層狀巖石的傾角較緩時，由于下滑力分量較小，破壞形式多為橫向裂縫擴展，地震波在坡體中傳遞時產生滑動。在坡度足夠陡時，更容易在地震作用下形成臨空面，邊坡內部拉裂破壞形成滑移破壞。

（二）由剪應力云圖可以看出，地震作用時軟弱層首先開始產生受剪破壞，隨后在上覆巖體自重作用下引起滑坡，此時邊坡失穩受巖體自重和軟弱層破壞的影響較大。

（三）通過模擬計算得到地震作用下改模型邊坡在進行挖方邊坡設計時應滿足的臨界安全高度及坡度：坡度1：0.5時動力臨界高度為12.6m;坡度1：0.75時動力臨界高度為14.51m;坡度1：1時動力臨界高度為16.87m;坡度1：1.2時動力臨界高度為18.66m;坡度1：1.5時動力臨界高度為22.27m;所得數據對巖石邊坡工程的開挖設計有一定的參考價值。

參考文獻

[1] Qian Cheng，Yongkui Shi，Lingqun Zuo. Numerical Simulation and Analysis of Surface and Surrounding Rock Failure in Deep High-Dip Coal Seam Mining[J]. Geotechnical and Geological Engineering，2019，37（5）. 4285-4299.

[2] 白云峰. 渝懷線順層邊坡的工程地質特征與類型劃分[C]. 中國巖石力學與工程學會.巖石力學新進展與西部開發中的巖土工程問題——中國巖石力學與工程學會第七次學術大會論文集.中國巖石力學與工程學會：中國巖石力學與工程學會，2002：468-471.

[3] 許沖，戴福初，肖建章.“5.12”汶川地震誘發滑坡特征參數統計分析[J].自然災害學報，2011，20（04）：147-153.

[4] 中華人民共和國行業標準.公路工程抗震規范（JTG B02-2013）[S].北京：人民交通出版社，2014.

作者簡介：陳思芃（1996—），男，漢族，廣西南寧人，工學碩士，單位：廣西交通投資集團南寧高速公路運營有限公司，研究方向：道路路基與路面工程。