降雨前后高路塹邊坡動力穩定性分析

【摘 要】通過Flac3D軟件編寫程序建立非飽和邊坡滲流模型，根據西南地區氣候條件，選取150 mm/d降雨量連續降雨3 d，進一步輸入震級為0.1～0.4g的EL地震波，分別對降雨前后邊坡在地震作用下的動力穩定性進行研究。結果表明：（1）同一高度位置，邊坡水平位移隨著地震震級增加而變大，破壞更加嚴重（2）隨著震級增加，降雨前后邊坡動力穩定安全系數均逐步降低；（3）降雨對邊坡在低震級作用下的穩定安全系數影響較小，對高震級下的穩定安全系數影響更為顯著。

【關鍵詞】動力穩定性分析； "降雨地震； "路塹邊坡； Flac3D

【中圖分類號】TU435【文獻標志碼】A

0 引言

眾所周知，影響邊坡穩定性的因素有很多，其中地震和降雨是導致邊坡失穩的主要原因。

目前，許多學者對邊坡在降雨和地震耦合作用下的穩定性進行了研究。文杰［1］基于FLAC3D進行了地震作用、降雨作用、地震與降雨共同作用下的黃土滑坡形成機理分析。龔文俊等［2］以甘肅省西和縣西山號滑坡為例，基于Geo-Studio軟件分析了不同降雨強度后地震作用對邊坡穩定性的影響。王蘭民等［3］開展了地震和降雨共同作用下的天然狀態和降雨100 mm的兩種工況下的黃土邊坡振動臺模型試驗，分析了降雨前后兩類邊坡的滲流場特征、動力響應和變形特征。

鑒于此，本文以某實際高路塹邊坡工程為背景，通過分析其位移、剪應變增量以及動力安全系數等多方面數據對降雨前后邊坡在地震作用下的動力穩定性進行了研究。

1 研究方法和理論

1.1 降雨滲流理論

Flac3D軟件采用達西滲透定律來表征流體在固體顆粒間的流動準則見式（1）。

qi=-kil（s）［p-ρfxjgj］l（1）

式中：qi為指定方向上的滲流速度（m/s）；kil為飽和滲透系數張量［m2/（Pa/s）］；（s）為相對介質滲透率，（s）=s2（3-2s）（0≤（s）≤1），s為飽和度；p為孔隙水壓力；ρf為流體密度；gi為重力加速度的三個分量；（p-ρfxjgj）為水力梯度。

Flac3D軟件在進行滲流計算時，默認為飽和滲流，即飽和度等于1，可通過設置流體抗拉強度使得負孔隙水壓存在，也就是說，非飽和滲流是通過有限差分迭代節點孔隙水壓力來進行流固耦合計算，即式（2）。

1Mpt=ζt-αεt（2）

非飽和滲流情況下，若想設置飽和度不為1，FLAC3D會強制節點孔隙水壓為0。可通過土-水特征曲線反算出節點孔隙水壓，此時FLAC3D是通過有限差分迭代節點飽和度來進行非飽和滲流計算的，反算出的節點孔隙水壓并未影響這一時刻的內部滲流計算，即式（3）

nsst=1sζt-αεt（3）

飽和滲流可以看作是飽和度為1的非飽和滲流，即飽和滲流為非飽和滲流的特殊情況［4］。

1.2 動力強度折減法

動力強度折減法固定地震荷載不變，把邊坡自然狀態抗剪強度參數（c、φ）進行k倍折減，采用折減后的邊坡抗剪強度參數（c1、φ1）進行動力時程分析［5］。

計算公式見式（4）。

c1=c/k

tanφ1=tanφ/k（4）

定義邊坡達到動力臨界失穩狀態時對應的折減系數k為邊坡動力安全性系數。

2 工程概況

本文選取西南某高陡非均質路塹邊坡作為研究對象，其基本土層參數如表1所示。

3 數值分析

3.1 模型建立

采用Flac3D有限插分軟件建立邊坡模型，邊坡坡度為31°，總長為208 m，整體高度為88 m。邊坡每級臺階寬度為3 m，每級邊坡高度設置為8 m。模型中巖土體假定為理想彈塑性材料，選用摩爾-庫倫模型，并設置三個關鍵位移監測點D1、D2、D3，邊坡整體模型尺寸如圖1所示［6］。

模型的邊界條件為上邊界設置為自由邊界，下邊界固定x、y、z方向的位移，并固定左右邊界的x向位移，固定縱向邊界的y向位移。

3.2 模擬工況

實際工程中降雨與地震相繼發生的概率相對較小，通過西南地區氣候條件以及所處地震帶，本文選取150 mm/d降雨量連續降雨3 d，降雨后邊坡土層飽和度如圖2所示。進一步選用峰值加速度為0.1g、0.2g、0.3g、0.4g這4個震級對邊坡降雨前后的抗震穩定性進行研究。如圖3所示，采用1951年美國加州El-Centro地震波進行水平向加載，因其與實際地震波更為接近，模擬的結果更加符合現實情況。

4 結果分析

4.1 邊坡最大水平位移

隨著震級增大，降雨前后邊坡水平位移最大值與水平位移面積均增大，且發生在靠近坡頂位置。當震級達到0.4g時，基巖以上近一半的土體水平位移達到了4 cm，局部破壞嚴重，如圖4、圖5所示。同一震級下，邊坡在降雨后水平位移加大，如圖6所示。

4.2 邊坡最大剪切應變增量

低震級下，坡體中部出現了一小塊弧形條帶。隨著震級的增大，坡體內最大剪應變增量逐漸增大，弧形條帶逐漸向坡角和坡頂延伸，有貫通的趨勢，如圖7所示。0.4g震級下，邊坡在降雨后最大剪應變增量分布范圍更廣，整體破壞更嚴重，如圖8所示。

4.3 邊坡動力安全系數

本文選取0.1g、0.2g、0.4g這三個震級進行動力穩定安全系數計算，采用動力強度折減法。如圖9所示，根據關鍵點D1、D2、D3位移突變判據可知降雨后邊坡在0.1g地震下的動力安全系數為1.27，同理可求得其他工況下動力穩定安全系數的值，如表2所示。

如圖10所示，整體上邊坡動力安全系數隨著震級的增大而逐漸下降。對比邊坡在降雨前后三個震級下的動力安全系數可知，較低震級下降雨對邊坡抗震穩定性影響不大，

5 結論

本文基于Flac3D軟件，建立高路塹邊坡模型，分別對降雨前后邊坡在地震作用下的工況進行數值模擬，得出結論：

（1）同一高度位置，邊坡水平位移隨著地震震級增加而變大，破壞更加嚴重。

（2）隨著震級增加，降雨前后邊坡動力穩定安全系數均逐步降低。

（3）降雨對邊坡在低震級作用下的穩定安全系數影響較小，對高震級下的穩定安全系數影響更為顯著。

參考文獻

［1］ 文杰. 地震與降雨作用下黃土滑坡形成機理分析［D］.北京：中國地質大學（北京），2016.

［2］ 龔文俊，李明永，吳志堅.降雨和地震耦合作用對滑坡穩定性的影響——以甘肅西和Ⅲ號滑坡為例［J］.西北地震學報，2012，34（2）：161-166.

［3］ 王蘭民，蒲小武，吳志堅，等.地震和降雨耦合作用下黃土邊坡動力響應的振動臺試驗研究［J］.巖土工程學報，2018，40（7）：1287-1293.

［4］ 蔣中明，熊小虎，曾鈴.基于FLAC～（3D）平臺的邊坡非飽和降雨入滲分析［J］.巖土力學，2014，35（3）：855-861.

［5］ 鄭穎人，趙尚毅.有限元強度折減法在土坡與巖坡中的應用［J］.巖石力學與工程學報，2004（19）：3381-3388.

［6］ 徐芝綸. 彈性力學［M］. 北京：高等教育出版社

［7］ 袁中夏，李德鵬，葉帥華.地震和降雨條件下黃土高填方邊坡穩定性分析［J］.蘭州理工大學學報，2022，48（4）：119-125.

［作者簡介］彭梓騫（1998—），男，碩士，研究方向為路基工程與巖土工程。