陳士銀，曹 宇

(費縣許家崖水庫管理中心，山東 臨沂 273400)

高邊坡在地震作用下的穩(wěn)定性是鐵路、公路、水利工程建設(shè)中經(jīng)常遇到的問題，合理評價其穩(wěn)定性對于基礎(chǔ)工程的安全運營具有重要意義[1]。然而，如何評價高邊坡的穩(wěn)定性一直困擾著工程技術(shù)人員[2]。高邊坡在地震動力下的響應(yīng)規(guī)律較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的等效靜力法沒有考慮高邊坡固有的動力特性，往往產(chǎn)生較大的誤差，危害工程安全[3- 4]。王飛等[5]以深東高速深路塹邊坡為研究對象，采用有限差分軟件FLAC3d研究地震作用下高邊坡開挖條件下的變形及動力響應(yīng)規(guī)律，結(jié)果表明，地震作用下，坡體內(nèi)會產(chǎn)生貫通剪切帶；張盧明等[6]采用有限差分動力分析法，對飛鳳山滑坡進(jìn)行抗震穩(wěn)定性分析，結(jié)果表明，在0.33g的地震加速度作用下，該邊坡加固效果較好，能維持穩(wěn)定狀態(tài)。

以上研究均針對邊坡坡面的動力響應(yīng)規(guī)律，缺少對坡體內(nèi)部的動力響應(yīng)特征及位移規(guī)律缺少研究。本文以某高邊坡為例，采用有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件FLAC3d，對邊坡在地震作用下的坡面及坡體內(nèi)部響應(yīng)規(guī)律，及坡體內(nèi)部變形及位移特征進(jìn)行分析，研究結(jié)果為相關(guān)工程抗震設(shè)計提供了參考依據(jù)。

1 工程概況

該邊坡位于某水庫庫岸，研究區(qū)地貌類型屬于中高山地貌，平均海拔在3100m以上，地形高差較大?，F(xiàn)場工程地質(zhì)勘測表明，該公路路塹坡度30°～50°，坡面下部較陡，平均坡度達(dá)45°以上，坡頂部稍平緩，約30°～40°，表面覆蓋有植被層。邊坡表層巖性主要為第四系全新統(tǒng)坡積的碎石土，碎石含量約50%～60%，碎石粒徑在2～10cm范圍內(nèi)，并含有少量塊石，塊體強度較高，巖性主要為粉砂巖。下覆奧陶系下統(tǒng)變質(zhì)砂巖，埋深較大，厚約30～55m。巖體節(jié)理裂隙發(fā)育較好，粒徑5～10cm。邊坡剖面圖如圖1所示。

圖1 邊坡工程地質(zhì)剖面圖(單位：m)

根據(jù)現(xiàn)場及室內(nèi)巖土體力學(xué)測試，該邊坡各巖土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各巖土層物理力學(xué)參數(shù)

2 邊坡動力響應(yīng)數(shù)值模擬

2.1 計算工況

本文分析該高邊坡采用錨墩式主動防護(hù)網(wǎng)加固后，在不同地震烈度條件下邊坡的穩(wěn)定性及動力響應(yīng)特征。研究區(qū)地震動峰值加速度(PGA)為0.10g，查表可知，相應(yīng)地震烈度為Ⅶ級。根據(jù)JTG 2232—2019《公路隧道抗震設(shè)計規(guī)范》，地震烈度與水平地震系數(shù)對應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 地震基本烈度與水平地震系數(shù)對應(yīng)表

2.2 邊界條件設(shè)置

根據(jù)該邊坡的實際工況，考慮二維邊坡剖面數(shù)值模型，模型頂部及臨空面設(shè)置為自由邊界條件，底部及后部設(shè)置為固定約束。邊坡邊界條件示意圖如圖2所示。

圖2 邊坡邊界條件設(shè)置

2.3 邊坡的動力響應(yīng)影響因素分析

邊坡內(nèi)部任一點加速度峰值(PGA)與坡腳處峰值加速度(PGA)比值即為PGA放大系數(shù)，能反映邊坡對地震加速度的響應(yīng)規(guī)律。本節(jié)研究加速度放大系數(shù)隨高程的變化規(guī)律。首先在坡體內(nèi)及坡面不同位置設(shè)置若干加速度傳感器作為監(jiān)測點，并記錄該點處加速度隨時間變化情況。其中監(jiān)測點A1，A2，A3，A4，A5沿著坡面自上至下分布，監(jiān)測點B1，B2，B3，B4，B5沿坡體左側(cè)自上至下分布，監(jiān)測點分布如圖3所示。

圖3 邊坡加速度監(jiān)測點設(shè)置(單位:m)

為研究不同震動加速度的邊坡響應(yīng)規(guī)律，選取峰值加速度分別為0.05g、0.1g、0.15g及0.2g條件下的4種加速度，輸入路塹邊坡數(shù)值模型中，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同震動條件下坡面及坡內(nèi)PGA放大系數(shù)變化情況

由圖4(a)可知，當(dāng)震動持續(xù)時間不變時，隨著震動峰值加速度(PGA)從0.05g增大到0.2g，坡面不同監(jiān)測點的PGA放大系數(shù)均減小，兩者之間呈負(fù)相關(guān)。對于同一監(jiān)測點，PGA放大系數(shù)首先隨高程增加而減小，在達(dá)到坡高1/2處時，PGA放大系數(shù)隨高程增加而增大，兩者之間呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系。推測分析此種現(xiàn)象是由于坡腳處剪應(yīng)變較大，導(dǎo)致土體抗剪強度降低，并且阻尼增大導(dǎo)致的[7- 8]。

由圖4(b)可知，隨著震動峰值加速度(PGA)從0.05g增大到0.2g，坡內(nèi)不同監(jiān)測點的PGA放大系數(shù)同樣有所下降。但坡內(nèi)PGA放大系數(shù)隨高程增加而增大，且近似呈一次函數(shù)關(guān)系。對比圖4(a)和(b)可以看出，對于同一高程，坡面PGA放大系數(shù)均大于坡內(nèi)PGA放大系數(shù)，說明坡面巖土體對于地震的響應(yīng)更加敏感。

不同地震振幅條件下，邊坡最大位移隨地震動加速度變化情況如圖5所示。

圖5 坡面最大位移隨地震加速度變化規(guī)律

由圖5可以看出，地震動加速度從0.5g增加到2.0g時，坡面最大水平位移從32mm增加到125mm，增加了291%，最大豎向位移從-61mm增加到-187mm，增加了206%。說明震動加速度會導(dǎo)致坡面產(chǎn)生較大的位移，對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。水平位移和豎向位移與地震動加速度分別滿足一次函數(shù)關(guān)系：y=47.2x+23.5(R2=0.98)，y=-68x-27.5(R2=0.99)。

坡內(nèi)最大剪應(yīng)變增量隨地震動加速度變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 坡內(nèi)最大剪應(yīng)變增量隨地震動加速度變化規(guī)律

由圖6可知，地震加速度從0.5g增加到2.0g時，坡體內(nèi)最大剪應(yīng)變從0.1增加到0.27，增加了170%，兩者之間近似呈一次函數(shù)關(guān)系y=0.106x+0.045(R2=0.99)，說明震動加速度對坡體內(nèi)剪應(yīng)變影響較大，導(dǎo)致邊坡發(fā)生剪切應(yīng)變。

由圖5—6可以看出，隨著地震動加速度的增加，坡體最大剪應(yīng)變及總位移明顯增大，說明在地震波持續(xù)產(chǎn)生的震動作用下，碎石土路塹高邊坡單元發(fā)生累積損傷作用，并形成潛在滑動面，對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生了較大影響，應(yīng)重點進(jìn)行加固。

不同地震持續(xù)時間下坡面和坡體PGA放大系數(shù)如圖7所示。

圖7 不同地震持續(xù)時間下坡面和坡體PGA放大系數(shù)

由圖7(a)可知，15、20和25s的地震波持續(xù)時長下，邊坡坡面PGA放大系數(shù)差別較小，說明地震波時長與PGA放大系數(shù)關(guān)系不大。由圖7(b)同樣可以看出，地震波持續(xù)時長對PGA放大系數(shù)影響較小，由于斜坡臨空面放大效應(yīng)與高程變化呈正相關(guān)，因此坡體內(nèi)部PGA放大系數(shù)受地震持續(xù)時間影響更小。

3 結(jié)論

在對邊坡進(jìn)行調(diào)查的基礎(chǔ)上，建立二維力學(xué)數(shù)值模型，并輸入不同強度的地震波，通過改變地震波強度及輸入時間，模擬高邊坡在地震作用下的動力響應(yīng)規(guī)律及變形特征。結(jié)果顯示震動峰值加速度(PGA)從0.05g增大到0.2g時，坡面在1/2坡高下，各監(jiān)測點PGA放大系數(shù)隨PGA增大而降低；在坡高1/2以上，PGA放大系數(shù)隨高程增加而增大，兩者之間呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系。且在邊坡同一高度下，坡面PGA放大系數(shù)均大于坡內(nèi)PGA放大系數(shù)。坡面最大水平位移增加了291%，最大豎直位移增加了206%，震動加速度對坡體位移影響較大。坡體內(nèi)最大剪應(yīng)變與震動加速度之間近似呈一次函數(shù)關(guān)系y=0.106x+0.045(R2=0.99)。研究結(jié)果揭示了邊坡的動力響應(yīng)規(guī)律，對于相關(guān)工程設(shè)計有一定的參考價值。因邊坡地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性，相關(guān)課題還需要進(jìn)一步研究。