基于FLAC3D地震及降雨工况下边坡变形破坏特征分析

2023-10-13郑丽华

地下水 2023年5期

郑丽华

(阳谷县城乡供水服务中心,山东聊城 252300)

0 引言

随着“一带一路”项目的实施,铁路公路边坡稳定性对工程建设的影响日益突出。我国西南山区属于地震多发带,且降雨频繁,地震及降雨是导致边坡失稳的重要因素,因此,研究边坡在地震及降雨条件下的失稳机制及稳定性,对“一带一路”工程建设具有重要意义[1-2]。地震对边坡稳定性影响主要表现在两个方面,一是地震周期震动对边坡潜在滑动面上抗滑结构的破坏,二是地震产生的惯性力作用在滑体上,增大下滑力[3-4]。言志信等[5]采用有限差分数值模拟软件,通过检测边坡土体位移、切应变等参数,分析岩土体在地震作用下的破坏过程,研究结果表明,地震边坡的破坏主要是地震惯性力造成的;李萌等[6]采用三维离散元数值模拟技术,对外倾岩质边坡在地震作用下的失稳机理进行研究,结果表明,在地震荷载下,坡面各监测点PGA放大系数在超过1/2边坡高度以上急剧增大;

以上研究均为对边坡单一作用下的响应规律进行研究,对于降雨及地震共同作用下的影响研究较少。本文某边坡为例,采用数值模拟软件FLAC3d分别研究降雨及地震作用下的变形破坏特征,为相关边坡的地震动力学设计提供参考。

1 研究区概况

研究区属于高山峡谷地貌。区内年平均降水量为1 120 mm,年平均降雨天数为145 d,主要集中在每年的5-8月。年平均气温17.2℃,一月平均气温3.2℃,七月平均气温28.5℃。

根据现场勘察及钻探结果,该滑坡区内地层主要地层为岩性和厚度稳定的三叠系海陆交替相碳酸盐岩及部分碎屑岩地层,厚度约240～400 m。滑坡所在地平均海拔为1 780 m,滑源区顶部高程1 968 m,底部高程1 712 m,相对高差约256 m(图1)。

图1 滑坡示意图

如图1所示,该滑坡沟谷成“V”形,谷底分界线从滑源区右侧中间位置向坡脚延伸,平均坡降比为0.55,沟谷左侧滑体坡面倾角为42°,滑体体积约3.21×105m3,由第四系坡积物及泥石流堆积层组成,主要构成物质粉质黏土,灰岩等组成,下伏基岩为玄武岩。各部分岩土体力学参数如表1所示。

表1 各岩土层物理力学参数

2 数值模拟分析

模型长300 m,高度180 m,采用三角形网格划分,坡面用30×30个关键节点控制地表起伏形态特征,相邻关键节点距离为8 m,在地表滑动面附近增加网格密度,以提高计算结果准确度,累计划分网格单元31 000个。采用强度折减法,考虑在地震工况和降雨工况下,该边坡的位移及应力分布规律。

2.1 强度折减法

采用强度折减法计算边坡安全系数(Fs)公式如式(1)所示:

Fs=F抗滑/F下滑

(1)

式中:F抗滑为边坡抗滑力,KN;F下滑为边坡下滑力,KN

强度折减法通过同时按比例降低岩土体力学参数c和φ,直至边坡发生破坏,此时的折减系数即为边坡的安全系数Fs。

2.2 地震工况

采用弹塑性本构模型,设置最大不平衡力为80,以确保计算结果的稳定性,设置时间步长为1×10-3,阻尼系数为0.1。计算模型采用地震波如图2所示,该地震波峰值加速度为0.15 g。

图2 计算模型地震波形图

2.3 降雨工况

降雨通过斜坡表面裂隙渗入坡体内部后,导致潜在滑面岩土体软化,力学强度降低,且降雨增加坡体自重,导致下滑力增大。本模拟中,考虑10 mm/d的降雨量条件下斜坡变形破坏特征。在降雨工况计算时采用弹塑性本构模型计算初始地应力场,然后考虑渗流作用下的动力模型,使用Slove Fos命令对边坡位移及安全系数进行求解。

3 数值模拟结果分析

3.1 不同工况下边坡变形特征分析

图3为地震工况及降雨工况下,边坡剖面位移云图。

图3 两种工况下边坡剖面位移云图

如图3(a)所示,地震工况下边坡在坡脚处位移较大,位移值为4.1×10-2～4.1×10-2m,从剖面图中可以看出,该边坡坡顶处位移较小,在0～2.6×10-2m之间土层部分较稳定,由坡面向内部位移值逐渐降低。该剖面位移相对较大区域主要分布在高程1 520～1 610 m范围内,在坡脚处最大位移值约4.4×10-2m,说明在坡脚处发生了应力集中,首先发生破坏。

图3(b)降雨工况下,位移发生在浅层坡面处,潜在滑动面深度约20～30 m。坡面处位移最大约1.2×10 m,其位移相对较大区域分布在1 510～1 650 m范围内,降雨工况下总位移最大值为17 m。与天然工况下位移相比,变形区域范围增大,与实际情况相吻合。

3.2 不同工况下边坡切应变数值模拟结果分析

大量工程实例及数值模拟分析结果表明,可通过边坡不同位置剪应变来判断坡体变形破坏部位,剪应变集中区域通常为边坡破坏较明显部位,其稳定性较差。图4为地震及降雨工况下边坡切应变云图。

图4 降雨及地震工况下切应变云图

如图4(a)所示,地震工况下,坡体潜在滑动面切应变范围在2.2×10-4～2.5×10-4内,其分布与岩性分界面相对一致,表明受地震作用下,斜坡岩土体整体松散,稳定性降低,斜坡下滑趋势明显。

图4(b)降雨工况下,斜坡潜在滑动面切应变范围在1.3×10-4～1.5×10-4之间,沿土岩分界面像坡脚处延伸,且坡体中、下部应变增量集中。与天然条件下相比,切应变明显增大,增大位置由坡顶处向中、下部转移。数值分析结果表明,在降雨工况下边坡稳定性下降明显,处于次稳定状态。

3.3 斜坡监测点位移时程分析

图5为边坡内不同监测点P1,P2,P3,P4位移随时间变化情况。

图5 监测点时程曲线图

由图5所示,P2,P3点竖向位移变化趋势较为接近,在0.2 s时呈现下降趋势,随后线性上升至最高点,P3点竖向位移在整个模拟过程中均高于P2点。P1点竖向位移变化趋势与P2,P3接近,随着时间推移,P2,P3点与P1变化差距增大。P4点竖向位移时程曲线与P1,P2,P3点差别较大,在2.0 s内处于负向位移区,呈线性降低,在2.0 s时,P1,P2,P3,P4监测点位移分别为0.12 m,0.19 m,0.9 m,-0.32 m。

根据以上分析可知,位移时程变化曲线岁高程增加,有一定的滞后效应,随着距地面高度增加,位移时程曲线近似为线性。坡脚处监测点P4位移为负值,表明地震作用下该处产生挤压作用导致位移负向增加,其他监测点位移为正值,表明该区域所受应力为拉应力,有滑动趋势。