地震作用下边坡的稳定性分析

罗轶 马艳波

摘要：地震作用下边坡的稳定性分析较为复杂，也是近年来的热点课题。四川“5.12”汶川地震后，相关学者针对边坡的地震响应做了很多研究。文章以某工程边坡受地震影响为例，采用拟静力法和数值分析法，探讨了一定的地震时程加速度影响下，该边坡的变形位移情况，并对其地震影响作用下的稳定性进行了研究。

Abstract： The stability analysis of slopes under earthquake action is complex and is a hot topic in recent years. After the "5.12" Wenchuan earthquake in Sichuan， relevant scholars have done a lot of research on the seismic response of the slope. Taking the influence of an engineering slope as an example， the quasi-static method and numerical analysis method are used to investigate the deformation displacement of the slope under the influence of certain time-history acceleration， and the stability under the influence of the earthquake is studied.

关键词：岩质边坡;动力响应;稳定性评价

Key words： rock slope;dynamic response;stability evaluation

中图分类号：U213.1+3                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）26-0143-02

1  概述

边坡的地震反应分析不仅与边坡岩土体的动力特性有关，且与输入地震动力的特性密切相联，远比边坡的静力分析复杂。在动力荷载作用下，边坡是否失稳的关键是岩土体对加载速率的响应。在地震中，地震波沿着坡体传输，坡体则遭受不同加载速率和应变速率的动力荷载，导致坡体内岩土体强度的明显变化。

近年来，地震作用下边坡稳定量研究分析方法主要归结为5种，拟静力法、Newmark滑块位移法、数值分析法、模型试验法和综合法。本文采用拟静力法和数值分析法对边坡进行稳定性分析。

2  工程概况

某工程边坡后缘高程1630～1658m，前缘河水面高程约1415m，高差为215～243m。两岸均为基岩岸坡，属基岩断块构造剥蚀中高山及河谷地貌，自然边坡坡度一般50°～70°，坡腳及沟谷处大部分被第四系松散物所覆盖，阶地不发育。边坡岩性为英安质凝灰岩，坡体表面局部出现拉裂变形，但未发现前缘剪出口，考虑该边坡仍处于变形发展阶段。

3  拟静力法

在边坡稳定性分析中，拟静力法因为简便易操作，在工程实践中应用广泛。该方法是将地震作用力等效为水平方向或垂直方向的不变加速度作用，运用极限平衡理论，将其沿滑动面进行分解，并得到沿滑动面的安全系数。拟静力法是在理想条件下进行的计算，实际中边坡是非刚性体，地震作用力的大小和方向也是变化的，所以该方法无法准确反映边坡的地震动力反应特征。

采用拟静力法中的传递系数法进行计算，并考虑暴雨、地震等因素对边坡稳定性的影响。区内地震基本烈度为Ⅶ度，水平地震系数取KH=0.15，建立模型如图1。根据室内试验和相关经验，参数取值见表1，稳定性成果见表2。

按照《滑坡防治工程勘查规范（GBT32864-2016）》对边坡稳定状态的划分，该边坡在天然状况下稳定性系数大于1.15，属于稳定状态;地震条件下处于基本稳定状态，发生持续暴雨时稳定性有所降低，处于欠稳定状态。从计算结果来看，该边坡的稳定性基本符合其变形迹象。

4  数值分析法

数值分析法进行边坡动力响应分析方法很多，常用的有动力有限元法、离散元法和有限差分法。本次采用动力有限元法，尽管其计算量大，结果处理繁杂，但可以分析坡体在地震荷载作用下的反应加速度、位移、剪应变等变化过程，并求得其瞬时安全系数，对于大型复杂边坡研究具有重要意义。

利用现场实测剖面来建立动力有限元模型，模型的基底高程取1350m，建立的有限元模型如图2。采用收集到的相近的地震加速度时程曲线进行类比，其曲线图如图3，计算模型各介质的计算参数如表3。

分析表明，地震作用下最大主应力为13.9～6606.5kPa，最小主应力为-247.4～2312.2kPa。最大主应力在滑面两侧变化较大，而最小主应力在地震条件下于坡脚处出现拉应力，坡脚处是斜坡中应力差最大部位，通常是斜坡中最容易发生变形和破坏的部位。在地震条件下，最大位移出现在坡体中后部，最大水平位移为0.0136m，最大垂直位移为0.0131m。地震动力荷载条件下主应力及位移的等值线图分别如图4～图7。

在地震作用下，边坡受往复振荡的地震波的作用，边坡会随着波的往复振荡而发生相应的瞬间变形，并表现为坡体向外发生变形，边坡瞬时稳定性降低;坡体向坡内发生变形，边坡瞬时稳定性增高。

地震荷载作用下，边坡瞬时最大、最小稳定性系数分别为1.462、0.796。其中最大稳定性系数出现在6.2～6.4秒处，最小稳定性系数出现在7.0～7.4秒处（图8）。观察发现，边坡稳定性系数的变化与所加载的地震加速度时程曲线密切相关，其稳定性时程变化曲线与地震加速度时程曲线的波峰、波谷出现刚好相反。

研究表明，在地震荷载作用的瞬间，边坡稳定性系数存在小于1.0的瞬间情况，但这并不意味着边坡的整体失稳。结合前述应力应变分析，地震对变形体有一定影响，但整体处于基本稳定状态。

5  结论

①边坡地震响应问题较复杂，定量分析方法中传递系数法假设坡体为绝对刚性体，拟静力是不变量，边坡失稳的唯一判据是稳定性系数是否小于1，因此其局限性较大，但正因为其只有唯一解，操作简单，广泛运用于工程实际。动力有限元法较好地考虑地震和边坡岩土体的动力特性，能反应地震过程中边坡稳定性系数随时间的动态变化过程，反应坡体变形和应力的特征，对研究地震作用下边坡的动力响应具有重要意义。②结合野外调查，通过传递系数法和动力有限元法综合分析，该边坡在天然条件下整体处于稳定状态，在地震条件下整体处于基本稳定状态。地震条件下，最小主应力在坡脚处出现拉应力，通常是斜坡中最容易发生变形和破坏的部位;最大位移出现在坡体中后部，这与地震波的放大效应有关。③受地震波影响，边坡稳定性系数的变化与所加载的地震加速度时程曲线密切相关。边坡受往复振荡的地震波的作用，瞬时稳定性系数变化较大，可能出现震后边坡基本稳定但震中瞬时稳定性系数小于1的情况。

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