降雨和地震作用下黏土邊坡的穩(wěn)定性探究范文

本站小編為你精心準(zhǔn)備了降雨和地震作用下黏土邊坡的穩(wěn)定性探究參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫(xiě)作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要：為了研究降雨和地震耦合作用對(duì)土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響，通過(guò)數(shù)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(zhì)邊坡模型，計(jì)算得到了在地震峰值加速度、降雨強(qiáng)度、降雨持時(shí)3種主要影響因素共14種工況下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)和Newmark永久位移。通過(guò)計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知，3種主要因素強(qiáng)度的增大，邊坡穩(wěn)定性都會(huì)出現(xiàn)降低現(xiàn)象，其中地震峰值加速度大小對(duì)邊坡的穩(wěn)定性起到主導(dǎo)作用。降雨和地震共同作用較其單因素作用，邊坡的穩(wěn)定性更低，更容易產(chǎn)生滑坡，但是共同作用產(chǎn)生的失穩(wěn)效果并不是單因素作用產(chǎn)生失穩(wěn)效果的簡(jiǎn)單疊加。

關(guān)鍵詞：土質(zhì)邊坡；降雨；地震；穩(wěn)定性；數(shù)值模擬

隨著國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展，邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題越來(lái)越受到廣大學(xué)者的關(guān)注。眾所周知地震和降雨是邊坡失穩(wěn)的主要觸發(fā)因素，實(shí)際工程事故也多不勝數(shù)。2007年四川沐川縣4—9月降雨量達(dá)1279mm，在7月25日至9月10日全縣共發(fā)生滑坡23處，其中22處為降雨觸發(fā)；2008年5月12日四川汶川發(fā)生80級(jí)特大地震，在地震的誘發(fā)下距北川縣城上游32km處唐家山發(fā)生了特大型滑坡，導(dǎo)致當(dāng)?shù)鼐用?4人死亡。目前在巖土工程領(lǐng)域，大量學(xué)者致力于研究降雨或地震單一因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。例如胡明鑒、汪稔、孟慶山等通過(guò)人工降雨原型試驗(yàn)、模型試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)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(tài)特征及臨界特性。孫永帥利用室內(nèi)模型試驗(yàn)分析研究了砂土和粉土邊坡在不同降雨強(qiáng)度、不同邊坡角度下的破壞形式，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，通過(guò)數(shù)值模型模擬邊坡失穩(wěn)破壞的整個(gè)過(guò)程，并且利用數(shù)值模擬的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，解釋邊坡破壞的機(jī)理。傅方、趙成剛在短時(shí)地震荷載作用時(shí)間段內(nèi)不考慮非飽和土含水率（或飽和度）與基質(zhì)吸力變化的前提下探討了非飽和土邊坡的地震穩(wěn)定性。

2008年的“汶川”大地震，在經(jīng)過(guò)強(qiáng)震過(guò)后，又經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的降雨使得地震災(zāi)區(qū)的災(zāi)害頻繁發(fā)生，其中邊坡失穩(wěn)造成的損失尤為明顯，近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者也逐漸開(kāi)始關(guān)注降雨和地震共同作用對(duì)土質(zhì)邊坡的影響：梅濤、肖盛燮分析了邊坡在降雨后的穩(wěn)定性，以及降雨后發(fā)生地震的穩(wěn)定性問(wèn)題，并提出對(duì)處于地震區(qū)的邊坡進(jìn)行邊坡降雨和抗震兩種災(zāi)害耦合設(shè)防的建議。李曉蓮?fù)ㄟ^(guò)FLAC3D計(jì)算并分析了降雨單獨(dú)作用、地震單獨(dú)作用及降雨與地震共同作用條件下碎石邊坡應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、塑性區(qū)及剪應(yīng)變?cè)隽康淖兓?guī)律，得出降雨與地震共同作用下碎石土邊坡的穩(wěn)定性比降雨單獨(dú)作用或地震單獨(dú)作用時(shí)的穩(wěn)定性差。本文以GEOSTUDIO數(shù)值軟件建立邊坡模型，通過(guò)穩(wěn)定系數(shù)和Newmark永久位移兩個(gè)指標(biāo)分析地震和降雨兩種影響因素作用下邊坡的穩(wěn)定性，并為工程建設(shè)提供參考意見(jiàn)。

1工程背景及有限元模型

11工程概況

某山區(qū)施工項(xiàng)目擬利用化工廠區(qū)挖方出土和建筑垃圾在廢棄采石場(chǎng)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(biāo)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(chǎng)分布。12構(gòu)建模型本文采用GEOSTUDIO軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，其中邊坡穩(wěn)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(jìn)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(jì)算方法上的誤差，并為Janbu推導(dǎo)出來(lái)的近似解法提供了更加精確的解答，對(duì)方程式的求解采用數(shù)值解法（即微增量法），滑平面形狀任意，通過(guò)力平衡法所計(jì)算出的穩(wěn)定系數(shù)值可靠程度高。綜合考慮計(jì)算速度和精度要求建立邊坡模型，邊坡長(zhǎng)50m，高35m，網(wǎng)格劃分1141個(gè)有限元單元和623個(gè)節(jié)點(diǎn)。2工況及計(jì)算結(jié)果分析通過(guò)GEOSTUDIO軟件中的SLOPE／W程序模擬邊坡模型在天然工況下穩(wěn)定性，使用采用摩根斯坦－普賴斯法對(duì)其進(jìn)行分析。其穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果是1092，參照DB50／143—2003《地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范》的標(biāo)準(zhǔn)土坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

21地震工況

通過(guò)GEOSTUDIO軟件中的QUAKE／W程序分析邊坡在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)。地震波采用的是工程界常用的強(qiáng)震記錄EI－Centero波，EI－Centero波的縱向地震加速度峰值為0349g，計(jì)算時(shí)將其調(diào)整為005、01、02g即可，峰值加速度005g時(shí)的時(shí)程曲線見(jiàn)圖2，施加的方向?yàn)橛邢拊镜腦方向，Y方向通過(guò)邊界條件固定不進(jìn)行分析。通過(guò)QUAKE／W程序?qū)吰逻M(jìn)行應(yīng)力分析得到不同地震作用下的應(yīng)力場(chǎng)分別導(dǎo)入到SLOPE／W程序中，采用Newmark永久位移法計(jì)算滑坡安全系數(shù)時(shí)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(qiáng)度不變的情況下，其浸水面隨降雨持時(shí)的變化。降雨強(qiáng)度采用20mm／d，降雨持時(shí)分別取1、2、3d。黏土的土水特征曲線以及滲透函數(shù)利用采用Frendlund－Xing函數(shù)進(jìn)行擬合所得見(jiàn)圖5。邊界條件為，兩側(cè)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(qū)為流量邊界或定水頭邊界，當(dāng)孔隙水壓力小于零時(shí)為流量邊界，反之為定水頭邊界。首先用SEEP／W程序計(jì)算邊坡的滲流場(chǎng)變化情況，然后將SEEP／W中的滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)調(diào)入到SLOPE／W中計(jì)算邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。地下水位線的變化見(jiàn)圖6，通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，小雨情況下，降雨強(qiáng)度遠(yuǎn)小于土體的飽和滲透系數(shù)，雨水更容易滲入土體內(nèi)，不會(huì)使坡面附近區(qū)域成為暫態(tài)飽和區(qū)，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(jìn)而影響邊坡的穩(wěn)定性可知邊坡在降雨強(qiáng)度不變的情況下，隨著降雨持時(shí)的增長(zhǎng)，邊坡的地下水位線不斷上升，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)不斷降低。由圖7可知，邊坡的穩(wěn)定性隨降雨持時(shí)的變化并不是成線性關(guān)系，而是在降雨持時(shí)為49h以前穩(wěn)定系數(shù)基本保持不變，而49h以后出現(xiàn)陡然下降的趨勢(shì)直至邊坡破壞。總之，小降雨作用下，邊坡穩(wěn)定性短時(shí)間內(nèi)保持不變，而隨著降雨持時(shí)的增長(zhǎng)，水位線不斷抬升，邊坡表面附近區(qū)域的孔隙水壓力上升、基質(zhì)吸力減小，土體的抗剪強(qiáng)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(huì)變大，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)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(yīng)的孔隙水壓力場(chǎng)，將其作為QUAKE／W程序中的初始孔隙水壓力條件進(jìn)行地震作用下的動(dòng)力分析，最后將QUAKE／W程序中的應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)導(dǎo)入到SLOPE／W程序中，采用Newmark永久位移法分析邊坡的穩(wěn)定性。通過(guò)計(jì)算結(jié)果分析可知：①由表2中變的情況下邊坡的穩(wěn)定性隨著降雨持時(shí)的增加而逐漸降低；②由表2中的工況8、11、12的計(jì)算安全系數(shù)可知降雨強(qiáng)度和降雨持時(shí)不變的情況下邊坡的穩(wěn)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(shí)出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)，永久位移為0087m；③由表2中的工況9、13、14計(jì)算的安全系數(shù)可知，地震峰值加速度和降雨持時(shí)不變的情況下邊坡的穩(wěn)定性隨著降雨強(qiáng)度的增大而逐漸減低，同時(shí)由相應(yīng)的折減率0073％、0623％、1007％可知，小降雨強(qiáng)度、短降雨持時(shí)以及小地震烈度對(duì)邊坡的穩(wěn)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(duì)比可知，降雨和地震共同作用較單因素作用，大多數(shù)情況下邊坡的穩(wěn)定系數(shù)更低，也就是共同作用下更容易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，但是其穩(wěn)定系數(shù)的降低并不是地震和降雨單獨(dú)作用效果的簡(jiǎn)單疊加，而是往往大于其疊加的穩(wěn)定系數(shù)。

3結(jié)論

a）土質(zhì)邊坡在不同的峰值加速度作用下邊坡的穩(wěn)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(wěn)位置在邊坡的后緣開(kāi)始，一旦出現(xiàn)拉裂進(jìn)而導(dǎo)致其整體失穩(wěn)。

b）在降雨強(qiáng)度不變的情況下，邊坡的穩(wěn)定性隨著降雨持時(shí)的增長(zhǎng)而不斷減小。土質(zhì)邊坡在小強(qiáng)度降雨工況下（20mm／d），在降雨時(shí)間較短時(shí)，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)基本保持不變，隨著降雨時(shí)間的增長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)（本例是49h），過(guò)了拐點(diǎn)之后繼續(xù)降雨，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)會(huì)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(wěn)定性有如下規(guī)律：在峰值加速度、降雨強(qiáng)度以及降雨持時(shí)3個(gè)影響因素下，保持其中兩個(gè)不變?cè)黾恿硗庖粋€(gè)，邊坡穩(wěn)定性會(huì)降低現(xiàn)象，并且地震峰值加速度大小對(duì)邊坡的穩(wěn)定性起到主導(dǎo)作用。降雨（小強(qiáng)度降雨）和地震共同作用較其單因素作用，邊坡的穩(wěn)定性更低，更容易產(chǎn)生滑坡，但是共同作用產(chǎn)生的失穩(wěn)效果并不是單因素作用產(chǎn)生失穩(wěn)效果的簡(jiǎn)單疊加。

參考文獻(xiàn)：

［1］龔文俊，李明永，吳志堅(jiān)降雨和地震耦合作用對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響———以甘肅西和Ⅲ號(hào)滑坡為例［J］地震工程學(xué)報(bào)，2012，34（2）：161－166

［2］喬建平，楊宗佶，田宏嶺降雨滑坡預(yù)警的概率分析方法［J］工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2009，17（3）：343－348

［3］李守定，李曉，張軍，等唐家山滑坡成因機(jī)制與堰塞壩整體穩(wěn)定性研究［C］／／第十一次全國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)大會(huì)論文集，2010：2908－2915

［4］胡明鑒，汪稔，孟慶山，等降雨作用下礫石土斜坡坡面形態(tài)及臨界特性［J］巖土力學(xué)，2006，27（9）：1549－1553

［5］孫永帥降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究［D］北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），2012

［6］傅方，趙成剛，李偉華，等地震荷載作用下非飽和土邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬［C］／／全國(guó)巖土力學(xué)數(shù)值分析與解析方法研討會(huì)，2013：408－414

［7］梅濤，肖盛燮降雨—地震耦合作用下邊坡的穩(wěn)定性分析［J］交通科技與經(jīng)濟(jì)，2012，14（4）：1－3

［8］李曉蓮，余云燕，陳志敏降雨與地震共同作用下碎石土邊坡的穩(wěn)定性分析［J］施工技術(shù)，2015，44（13）：64－71

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