地下水和地震共同作用下的边坡稳定性分析

黄 帅 汪洪祥 王 荣 蔡德钩 闫宏业

(1.中国地震局地壳应力研究所，北京100085;2.中国港湾工程有限责任公司，北京100027;3.中国铁道科学研究院，北京100081)

当边坡内含有较高的地下水位时，其产生较大的孔隙水压力，导致边坡有效应力降低，对边坡的稳定性产生不利影响。尤其是我国西部地区年降水量表现出普遍增加的趋势，在降雨集中时期，会导致边坡地下水位的升高，对边坡的稳定性极为不利。除了西部地区覆盖大量砂质土外，在已经修建的高铁沿线也存有大量的砂质土，特别是湿地地区，例如京沪高铁沿线经过黄河湿地，存有大量的砂质土边坡。由于砂质土边坡渗透性比一般的黏性土大，在渗透力作用下极易引发边坡失稳破坏，严重影响着边坡的稳定性。基于此，研究不同地下水位下边坡稳定性对铁路的安全运营和建设具有重要的意义。

国内外就不同的地下水位对边坡地震动力响应和稳定性的影响进行了相关研究。国外的G. W.Jia［1］基于粉质砂土边坡的原型试验，研究了地下水位上升和下降对边坡破坏模式的影响规律，得出随着坡外水位的下降，坡内孔隙水压力表现出明显的滞后现象，产生朝向坡外较大的外推力，严重影响边坡的稳定性;Griffith［2］和Lane［3］基于强度折减法研究了水位变化对边坡安全系数的影响规律，得出安全系数随着水位增加表现出先减小后增大的趋势;Dawson［4］则利用有限差分法和强度折减法对饱水土质边坡进行了计算。国内的黄帅等［5］基于时程分析法研究了地下水位变化对边坡地震稳定性的影响;戴绘［6］研究了降雨过程与雨停后浸润线变化规律;周靖人［7］研究了不同降雨强度下，地下水位埋深的变化对厚冲积层边坡的安全系数的影响规律。然而这些研究大多针对地下水位单一荷载的影响，而较少考虑地震荷载的影响，而边坡的防护设计中地震荷载是必须考虑的因素。因此，本研究基于边坡的有限元模型考察地下水位变化和地震共同作用下边坡的稳定性。

1 边坡地震稳定性的数值仿真分析

1.1 有限元模型

边坡的高度为12 m，坡度为35°，建立的仿真模型如图1 所示，为保证计算的精度，本模型划分的网格最大尺寸小于地震波最短波长的1/10 ～1/8。边坡所在地区基本烈度为7 度，设计基本加速度为0.1g。模型采用莫尔－库仑本构模型。左侧和右侧边界采用水平位移约束，底部边界采用竖向位移约束，其他边界为自由边界。为了分析在地下水位变化对边坡不同位置的位移、应力、应变和孔隙水压力的影响规律，定义边坡模型底部为零水位线，边坡水位线最高位置为地下水位高度。

图1 边坡模型Fig.1 Model of the slope

基于室内直剪试验测的边坡岩土(砂土)的物理参数如表1 所示。

表1 边坡材料参数Table 1 Material parameters of slope

1.2 地震波的选取

边坡所在地区基本烈度为7 度，场地为II 类场。参考日本《道路桥示方书－同解说v. 耐震设计篇》(2002)，选用远场地震波(Type I:T1－II－1 和T1－II－3)和近场地震波(Type II:T21－II－1 和T2－II－3)以及EIcentro 地震波进行分析。如图2 所示。

图2 地震波时程曲线Fig.2 Time history of the earthquake wave

2 地下水位对边坡稳定性影响分析

2.1 对边坡抗剪性能的影响分析

对边坡在不同地下水位下的剪应力和剪应变进行了分析，如图3 ～图5 所示(选取20 m 水深为例)。

图3 EICentro 地震下边坡剪切应力应变Fig.3 The shear stress and strain of slope under EICentro

图4 T1－II－1 地震下边坡剪切应力应变Fig.4 The shear stress and strain of slope under T1－II－1

图5 T2－II－1 地震下边坡剪切应力应变Fig.5 The shear stress and strain of slope under T2－II－1

由图3 ～图5 可知，在地震作用下，坡脚的剪应力－剪应变曲线呈现出滞回特性。随着地震的持续作用，由于边坡坡脚发生了明显的塑性变形，使得其滞回曲线的平衡位置不断地改变。随着地下水位的升高，边坡的剪应力－剪应变滞回圈表现出增大的趋势，即边坡的剪应力－剪应变滞回圈向远离坐标中心方向延伸，说明地下水的存在对坡脚的抗剪能力有较大影响。主要原因是地下水的存在使得土层含水率增大，坡脚位置为地下水渗出位置，土体在渗透力和孔隙水压力的共同影响下有效应力降低，地震发生时边坡极易发生剪切破坏。在不同地下水位下，远场地震对边坡坡脚抗剪能力的影响要大于近场地震。

2.2 对边坡主应力的影响分析

提取了沿边坡高度的最大主应力，如图6 ～图8所示(选取22 m 水深为例)。

图6 EICentro 地震作用下边坡的第一有效主应力Fig.6 The first principal effective stress of slope under EICentro

图7 T1－II－1 地震作用下边坡的第一有效主应力Fig.7 The first principal effective stress of slope under T1－II－1

图8 T2－II－1 地震作用下边坡的第一有效主应力Fig.8 The first principal effective stress of slope under T2－II－1

由图6 ～图8 可知，随着地下水位的升高，在不同类型地震作用下边坡的第一有效主应力整体呈现增大的趋势，EICentro 地震作用下水位高度24 m 时的第一有效主应力在监测点A、C、E、G、H、I、J 位置(如图1(b))比0 m 水位(图件从略)时分别增大了8.7%、3.27%、1.75%、1.50%、1.53%、1.50% 和0.4%。远场地震T1－II－1 作用下，监测点A、C、E、G、H、I、J 位置的第一有效主应力比0 m 水位时分别增大了10.53%、5.69%、3.19%、25.04%、10.48%、10.94%和9.88%;T1－II－3 作用下边坡不同监测点的第一有效主应力在监测点A、C、E、G、H、I、J 位置比0 m 水位时分别增大了4.0%、2.12%、0.8%、30.59%、11.57%、15.49%和21.24%。近场地震T2－II－1 作用下，监测点A、C、E、G、H、I、J 位置的第一有效主应力比0 m 水位时分别增大了0.21%、0.7%、11.46%、38.10%、19.96%、17.68% 和18.31%;T2－II－3 作用下监测点A、C、E、G、H、I、J 位置的第一有效主应力比0 m 水位时分别增大了9.40%、1.11%、8.84%、37.79%、24.42%、14.57%和7.46%。由此可知，随着地下水位的增加，边坡的第一有效应力减小，在近场地震作用下其减小幅度要大于远场地震和EICentro 地震作用下的减小幅度;而在不同地下水位下，远场地震作用的边坡第一有效主应力要大于近场地震作用，说明随着地下水位的增加，近场地震作用对边坡稳定性影响更大。

3 地下水位对边坡动力安全系数的影响分析

计算了边坡在T1－II－1、T1－II－3、T2－II－1 和T2－II－3 作用下无地下水及水深H=20 m 时的动力安全系数，并与《GB50111—2006 铁路工程抗震设计规范》中的拟静力法计算的边坡安全系数进行了对比分析，如图9 所示。

图9 近远场地震作用下边坡的安全系数Fig.9 The safety factor of the slope under near and far field earthquake

由图9 可以看出，地震作用下边坡的安全系数随着地震的持续作用上下波动，而规范中的拟静力法计算的边坡安全系数为一定值。在边坡无水时，拟静力法计算的安全系数值位于动力安全系数波动值的中部偏下;有地下水影响时，随着地下水位的升高，拟静力法计算的安全系数值开始移向动力安全系数波动值的中部偏上，且动力安全系数的最小值比拟静力法的静力安全系数小。H=20 m 时，动力安全系数的最小值比拟静力法的安全系数在T1－II－1 地震作用时减小了21.30%，T2 －II －1 地震作用时减小了18.13%。因此，在有地下水影响时，基于拟静力法计算的边坡安全系数进行边坡地震稳定性评价时有一定的风险。地下水位H=20 m 时，边坡的动力安全系数比无水时明显降低，在T1－II－1 地震作用时最大减小了27.60%，T2－II－1 地震作用时减小了26.98%。故地下水的存在对边坡稳定性具有较大的影响。

4 结 论

(1)近远场地震作用下，边坡坡脚的剪应力剪应变表现出滞回性能，且随着地震的持续作用，由于边坡发生了明显塑性变形，其滞回平衡位置不断改变。

(2)随着水深的增加，地下水对边坡坡脚抗剪能力的影响逐渐增大，且远场地震作用时，边坡坡脚的剪应力－剪应变滞回延伸较大，说明远场地震对边坡坡脚的抗剪能力的影响要大于近场地震。

(3)地下水位越高，对边坡安全系数的影响越显著。在边坡无地下水时，拟静力法计算的安全系数值位于动力安全系数波动值的中部偏下;而随着地下水位的升高，拟静力法计算的安全系数曲线开始移向动力安全系数波动值的中部偏上。因此，当地下水位升高时，拟静力法计算的边坡安全系数进行边坡稳定性评估将具有一定的潜在风险性。

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Dai Hui，Qin Weixing，Zhang Yuean.Evolution law of phreatic line in valley-type tailing s dam under heavy rainfall［J］. Metal Mine，2013(7):149-152.

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Zhou Jingren，Yang Tianhong，Yu Qinglei，et al.Impact of rainfall on stability of thick alluvium slope［J］.Metal Mine，2014(9):11-14.