降雨和地震作用下黏土邊坡的穩定性探究范文

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摘要：為了研究降雨和地震耦合作用對土質邊坡穩定性的影響，通過數值軟件建立了降雨、地震以及降雨和地震共同作用下的土質邊坡模型，計算得到了在地震峰值加速度、降雨強度、降雨持時3種主要影響因素共14種工況下的邊坡穩定系數和Newmark永久位移。通過計算結果對比可知，3種主要因素強度的增大，邊坡穩定性都會出現降低現象，其中地震峰值加速度大小對邊坡的穩定性起到主導作用。降雨和地震共同作用較其單因素作用，邊坡的穩定性更低，更容易產生滑坡，但是共同作用產生的失穩效果并不是單因素作用產生失穩效果的簡單疊加。

關鍵詞：土質邊坡；降雨；地震；穩定性；數值模擬

隨著國家基礎設施建設的不斷發展，邊坡穩定性問題越來越受到廣大學者的關注。眾所周知地震和降雨是邊坡失穩的主要觸發因素，實際工程事故也多不勝數。2007年四川沐川縣4—9月降雨量達1279mm，在7月25日至9月10日全縣共發生滑坡23處，其中22處為降雨觸發；2008年5月12日四川汶川發生80級特大地震，在地震的誘發下距北川縣城上游32km處唐家山發生了特大型滑坡，導致當地居民84人死亡。目前在巖土工程領域，大量學者致力于研究降雨或地震單一因素對邊坡穩定性的影響。例如胡明鑒、汪稔、孟慶山等通過人工降雨原型試驗、模型試驗、室內試驗及理論分析研究了松散礫石土斜坡在降雨作用下坡面土體的形態特征及臨界特性。孫永帥利用室內模型試驗分析研究了砂土和粉土邊坡在不同降雨強度、不同邊坡角度下的破壞形式，并在此基礎上進行了數值模擬分析，通過數值模型模擬邊坡失穩破壞的整個過程，并且利用數值模擬的結果與試驗結果進行對比分析，解釋邊坡破壞的機理。傅方、趙成剛在短時地震荷載作用時間段內不考慮非飽和土含水率（或飽和度）與基質吸力變化的前提下探討了非飽和土邊坡的地震穩定性。

2008年的“汶川”大地震，在經過強震過后，又經歷長時間的降雨使得地震災區的災害頻繁發生，其中邊坡失穩造成的損失尤為明顯，近年來國內學者也逐漸開始關注降雨和地震共同作用對土質邊坡的影響：梅濤、肖盛燮分析了邊坡在降雨后的穩定性，以及降雨后發生地震的穩定性問題，并提出對處于地震區的邊坡進行邊坡降雨和抗震兩種災害耦合設防的建議。李曉蓮通過FLAC3D計算并分析了降雨單獨作用、地震單獨作用及降雨與地震共同作用條件下碎石邊坡應力場、位移場、塑性區及剪應變增量的變化規律，得出降雨與地震共同作用下碎石土邊坡的穩定性比降雨單獨作用或地震單獨作用時的穩定性差。本文以GEOSTUDIO數值軟件建立邊坡模型，通過穩定系數和Newmark永久位移兩個指標分析地震和降雨兩種影響因素作用下邊坡的穩定性，并為工程建設提供參考意見。

1工程背景及有限元模型

11工程概況

某山區施工項目擬利用化工廠區挖方出土和建筑垃圾在廢棄采石場地基上堆筑起一座具有景觀功能的人工山體，堆山方案擬將施工挖方出土堆筑起高出目前地面標高35m的雜填土人工山體邊坡。壓密填土為褐黃色、灰黑色、灰白色，主要是黏性土，含有10％的礫巖碎塊和粗砂，少量塊石，礫巖碎塊粒徑為10～80mm，塊石粒徑200～260mm，稍濕，整場分布。12構建模型本文采用GEOSTUDIO軟件進行數值模擬，其中邊坡穩定性采用SLOPE／W程序中的摩根斯坦－普賴斯法，降雨和地震分別采用SEEP／W和QUAKE／W有限元程序進行分析。摩根斯坦－普賴斯法考慮了全部平衡條件與邊界條件，消除了計算方法上的誤差，并為Janbu推導出來的近似解法提供了更加精確的解答，對方程式的求解采用數值解法（即微增量法），滑平面形狀任意，通過力平衡法所計算出的穩定系數值可靠程度高。綜合考慮計算速度和精度要求建立邊坡模型，邊坡長50m，高35m，網格劃分1141個有限元單元和623個節點。2工況及計算結果分析通過GEOSTUDIO軟件中的SLOPE／W程序模擬邊坡模型在天然工況下穩定性，使用采用摩根斯坦－普賴斯法對其進行分析。其穩定性計算結果是1092，參照DB50／143—2003《地質災害防治工程勘察規范》的標準土坡處于穩定狀態。

21地震工況

通過GEOSTUDIO軟件中的QUAKE／W程序分析邊坡在地震作用下的動力響應。地震波采用的是工程界常用的強震記錄EI－Centero波，EI－Centero波的縱向地震加速度峰值為0349g，計算時將其調整為005、01、02g即可，峰值加速度005g時的時程曲線見圖2，施加的方向為有限元所示的X方向，Y方向通過邊界條件固定不進行分析。通過QUAKE／W程序對邊坡進行應力分析得到不同地震作用下的應力場分別導入到SLOPE／W程序中，采用Newmark永久位移法計算滑坡安全系數時程曲線和永久位移。

22降雨工況

采用SEEP／W程序分析邊坡在小雨且降雨強度不變的情況下，其浸水面隨降雨持時的變化。降雨強度采用20mm／d，降雨持時分別取1、2、3d。黏土的土水特征曲線以及滲透函數利用采用Frendlund－Xing函數進行擬合所得見圖5。邊界條件為，兩側地下水位以上邊界按零流量邊界處理，地下水位以下按壓力土水邊界，坡體表面降雨區為流量邊界或定水頭邊界，當孔隙水壓力小于零時為流量邊界，反之為定水頭邊界。首先用SEEP／W程序計算邊坡的滲流場變化情況，然后將SEEP／W中的滲流場和應力場調入到SLOPE／W中計算邊坡的穩定系數。地下水位線的變化見圖6，通過對比分析發現，小雨情況下，降雨強度遠小于土體的飽和滲透系數，雨水更容易滲入土體內，不會使坡面附近區域成為暫態飽和區，坡面以上形成表面徑流，而是使邊坡的水位線不斷上升，水位線以上土體空隙水壓力不斷增大，進而影響邊坡的穩定性可知邊坡在降雨強度不變的情況下，隨著降雨持時的增長，邊坡的地下水位線不斷上升，邊坡的穩定系數不斷降低。由圖7可知，邊坡的穩定性隨降雨持時的變化并不是成線性關系，而是在降雨持時為49h以前穩定系數基本保持不變，而49h以后出現陡然下降的趨勢直至邊坡破壞。總之，小降雨作用下，邊坡穩定性短時間內保持不變，而隨著降雨持時的增長，水位線不斷抬升，邊坡表面附近區域的孔隙水壓力上升、基質吸力減小，土體的抗剪強度也隨之降低，此外上部土體的含水率增大，土體容重增大，上部土體的下滑力就會變大，進而導致邊坡出現失穩現象。

23地震和降雨耦合作用工況

首先利用有限元軟件GEOSTUDIO中的SEEP／W程序分析邊坡在降雨條件下的滲流作用，得到相應的孔隙水壓力場，將其作為QUAKE／W程序中的初始孔隙水壓力條件進行地震作用下的動力分析，最后將QUAKE／W程序中的應力場和滲流場導入到SLOPE／W程序中，采用Newmark永久位移法分析邊坡的穩定性。通過計算結果分析可知：①由表2中變的情況下邊坡的穩定性隨著降雨持時的增加而逐漸降低；②由表2中的工況8、11、12的計算安全系數可知降雨強度和降雨持時不變的情況下邊坡的穩定性隨著地震峰值加速度的增大而降低，在峰值加速度為02g時出現邊坡失穩，永久位移為0087m；③由表2中的工況9、13、14計算的安全系數可知，地震峰值加速度和降雨持時不變的情況下邊坡的穩定性隨著降雨強度的增大而逐漸減低，同時由相應的折減率0073％、0623％、1007％可知，小降雨強度、短降雨持時以及小地震烈度對邊坡的穩定性影響較小；④由共同作用的工況和單因素作用的工況對比可知，降雨和地震共同作用較單因素作用，大多數情況下邊坡的穩定系數更低，也就是共同作用下更容易發生失穩現象，但是其穩定系數的降低并不是地震和降雨單獨作用效果的簡單疊加，而是往往大于其疊加的穩定系數。

3結論

a）土質邊坡在不同的峰值加速度作用下邊坡的穩定性隨著峰值加速度的增大而不斷減小。邊坡的位移矢量圖則反映出邊坡失穩位置在邊坡的后緣開始，一旦出現拉裂進而導致其整體失穩。

b）在降雨強度不變的情況下，邊坡的穩定性隨著降雨持時的增長而不斷減小。土質邊坡在小強度降雨工況下（20mm／d），在降雨時間較短時，邊坡的穩定系數基本保持不變，隨著降雨時間的增長會出現一個拐點（本例是49h），過了拐點之后繼續降雨，邊坡的穩定系數會急劇下降直至邊坡破壞。

c）地震和降雨共同作用下邊坡的穩定性有如下規律：在峰值加速度、降雨強度以及降雨持時3個影響因素下，保持其中兩個不變增加另外一個，邊坡穩定性會降低現象，并且地震峰值加速度大小對邊坡的穩定性起到主導作用。降雨（小強度降雨）和地震共同作用較其單因素作用，邊坡的穩定性更低，更容易產生滑坡，但是共同作用產生的失穩效果并不是單因素作用產生失穩效果的簡單疊加。

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作者：田松何1；鄭紅超2；璩澤君3 單位：1．黑龍江科技大學建筑工程學院2．貴州大學土木工程學院；3．貴州大學土木工程學院