降雨和地震作用下黏土边坡的稳定性探究范文

摘要：为了研究降雨和地震耦合作用对土质边坡稳定性的影响，通过数值软件建立了降雨、地震以及降雨和地震共同作用下的土质边坡模型，计算得到了在地震峰值加速度、降雨强度、降雨持时3种主要影响因素共14种工况下的边坡稳定系数和Newmark永久位移。通过计算结果对比可知，3种主要因素强度的增大，边坡稳定性都会出现降低现象，其中地震峰值加速度大小对边坡的稳定性起到主导作用。降雨和地震共同作用较其单因素作用，边坡的稳定性更低，更容易产生滑坡，但是共同作用产生的失稳效果并不是单因素作用产生失稳效果的简单叠加。

关键词：土质边坡；降雨；地震；稳定性；数值模拟

随着国家基础设施建设的不断发展，边坡稳定性问题越来越受到广大学者的关注。众所周知地震和降雨是边坡失稳的主要触发因素，实际工程事故也多不胜数。2007年四川沐川县4—9月降雨量达1279mm，在7月25日至9月10日全县共发生滑坡23处，其中22处为降雨触发；2008年5月12日四川汶川发生80级特大地震，在地震的诱发下距北川县城上游32km处唐家山发生了特大型滑坡，导致当地居民84人死亡。目前在岩土工程领域，大量学者致力于研究降雨或地震单一因素对边坡稳定性的影响。例如胡明鉴、汪稔、孟庆山等通过人工降雨原型试验、模型试验、室内试验及理论分析研究了松散砾石土斜坡在降雨作用下坡面土体的形态特征及临界特性。孙永帅利用室内模型试验分析研究了砂土和粉土边坡在不同降雨强度、不同边坡角度下的破坏形式，并在此基础上进行了数值模拟分析，通过数值模型模拟边坡失稳破坏的整个过程，并且利用数值模拟的结果与试验结果进行对比分析，解释边坡破坏的机理。傅方、赵成刚在短时地震荷载作用时间段内不考虑非饱和土含水率（或饱和度）与基质吸力变化的前提下探讨了非饱和土边坡的地震稳定性。

2008年的“汶川”大地震，在经过强震过后，又经历长时间的降雨使得地震灾区的灾害频繁发生，其中边坡失稳造成的损失尤为明显，近年来国内学者也逐渐开始关注降雨和地震共同作用对土质边坡的影响：梅涛、肖盛燮分析了边坡在降雨后的稳定性，以及降雨后发生地震的稳定性问题，并提出对处于地震区的边坡进行边坡降雨和抗震两种灾害耦合设防的建议。李晓莲通过FLAC3D计算并分析了降雨单独作用、地震单独作用及降雨与地震共同作用条件下碎石边坡应力场、位移场、塑性区及剪应变增量的变化规律，得出降雨与地震共同作用下碎石土边坡的稳定性比降雨单独作用或地震单独作用时的稳定性差。本文以GEOSTUDIO数值软件建立边坡模型，通过稳定系数和Newmark永久位移两个指标分析地震和降雨两种影响因素作用下边坡的稳定性，并为工程建设提供参考意见。

1工程背景及有限元模型

11工程概况

某山区施工项目拟利用化工厂区挖方出土和建筑垃圾在废弃采石场地基上堆筑起一座具有景观功能的人工山体，堆山方案拟将施工挖方出土堆筑起高出目前地面标高35m的杂填土人工山体边坡。压密填土为褐黄色、灰黑色、灰白色，主要是黏性土，含有10％的砾岩碎块和粗砂，少量块石，砾岩碎块粒径为10～80mm，块石粒径200～260mm，稍湿，整场分布。12构建模型本文采用GEOSTUDIO软件进行数值模拟，其中边坡稳定性采用SLOPE／W程序中的摩根斯坦－普赖斯法，降雨和地震分别采用SEEP／W和QUAKE／W有限元程序进行分析。摩根斯坦－普赖斯法考虑了全部平衡条件与边界条件，消除了计算方法上的误差，并为Janbu推导出来的近似解法提供了更加精确的解答，对方程式的求解采用数值解法（即微增量法），滑平面形状任意，通过力平衡法所计算出的稳定系数值可靠程度高。综合考虑计算速度和精度要求建立边坡模型，边坡长50m，高35m，网格划分1141个有限元单元和623个节点。2工况及计算结果分析通过GEOSTUDIO软件中的SLOPE／W程序模拟边坡模型在天然工况下稳定性，使用采用摩根斯坦－普赖斯法对其进行分析。其稳定性计算结果是1092，参照DB50／143—2003《地质灾害防治工程勘察规范》的标准土坡处于稳定状态。

21地震工况

通过GEOSTUDIO软件中的QUAKE／W程序分析边坡在地震作用下的动力响应。地震波采用的是工程界常用的强震记录EI－Centero波，EI－Centero波的纵向地震加速度峰值为0349g，计算时将其调整为005、01、02g即可，峰值加速度005g时的时程曲线见图2，施加的方向为有限元所示的X方向，Y方向通过边界条件固定不进行分析。通过QUAKE／W程序对边坡进行应力分析得到不同地震作用下的应力场分别导入到SLOPE／W程序中，采用Newmark永久位移法计算滑坡安全系数时程曲线和永久位移。

22降雨工况

采用SEEP／W程序分析边坡在小雨且降雨强度不变的情况下，其浸水面随降雨持时的变化。降雨强度采用20mm／d，降雨持时分别取1、2、3d。黏土的土水特征曲线以及渗透函数利用采用Frendlund－Xing函数进行拟合所得见图5。边界条件为，两侧地下水位以上边界按零流量边界处理，地下水位以下按压力土水边界，坡体表面降雨区为流量边界或定水头边界，当孔隙水压力小于零时为流量边界，反之为定水头边界。首先用SEEP／W程序计算边坡的渗流场变化情况，然后将SEEP／W中的渗流场和应力场调入到SLOPE／W中计算边坡的稳定系数。地下水位线的变化见图6，通过对比分析发现，小雨情况下，降雨强度远小于土体的饱和渗透系数，雨水更容易渗入土体内，不会使坡面附近区域成为暂态饱和区，坡面以上形成表面径流，而是使边坡的水位线不断上升，水位线以上土体空隙水压力不断增大，进而影响边坡的稳定性可知边坡在降雨强度不变的情况下，随着降雨持时的增长，边坡的地下水位线不断上升，边坡的稳定系数不断降低。由图7可知，边坡的稳定性随降雨持时的变化并不是成线性关系，而是在降雨持时为49h以前稳定系数基本保持不变，而49h以后出现陡然下降的趋势直至边坡破坏。总之，小降雨作用下，边坡稳定性短时间内保持不变，而随着降雨持时的增长，水位线不断抬升，边坡表面附近区域的孔隙水压力上升、基质吸力减小，土体的抗剪强度也随之降低，此外上部土体的含水率增大，土体容重增大，上部土体的下滑力就会变大，进而导致边坡出现失稳现象。

23地震和降雨耦合作用工况

首先利用有限元软件GEOSTUDIO中的SEEP／W程序分析边坡在降雨条件下的渗流作用，得到相应的孔隙水压力场，将其作为QUAKE／W程序中的初始孔隙水压力条件进行地震作用下的动力分析，最后将QUAKE／W程序中的应力场和渗流场导入到SLOPE／W程序中，采用Newmark永久位移法分析边坡的稳定性。通过计算结果分析可知：①由表2中变的情况下边坡的稳定性随着降雨持时的增加而逐渐降低；②由表2中的工况8、11、12的计算安全系数可知降雨强度和降雨持时不变的情况下边坡的稳定性随着地震峰值加速度的增大而降低，在峰值加速度为02g时出现边坡失稳，永久位移为0087m；③由表2中的工况9、13、14计算的安全系数可知，地震峰值加速度和降雨持时不变的情况下边坡的稳定性随着降雨强度的增大而逐渐减低，同时由相应的折减率0073％、0623％、1007％可知，小降雨强度、短降雨持时以及小地震烈度对边坡的稳定性影响较小；④由共同作用的工况和单因素作用的工况对比可知，降雨和地震共同作用较单因素作用，大多数情况下边坡的稳定系数更低，也就是共同作用下更容易发生失稳现象，但是其稳定系数的降低并不是地震和降雨单独作用效果的简单叠加，而是往往大于其叠加的稳定系数。

3结论

a）土质边坡在不同的峰值加速度作用下边坡的稳定性随着峰值加速度的增大而不断减小。边坡的位移矢量图则反映出边坡失稳位置在边坡的后缘开始，一旦出现拉裂进而导致其整体失稳。

b）在降雨强度不变的情况下，边坡的稳定性随着降雨持时的增长而不断减小。土质边坡在小强度降雨工况下（20mm／d），在降雨时间较短时，边坡的稳定系数基本保持不变，随着降雨时间的增长会出现一个拐点（本例是49h），过了拐点之后继续降雨，边坡的稳定系数会急剧下降直至边坡破坏。

c）地震和降雨共同作用下边坡的稳定性有如下规律：在峰值加速度、降雨强度以及降雨持时3个影响因素下，保持其中两个不变增加另外一个，边坡稳定性会降低现象，并且地震峰值加速度大小对边坡的稳定性起到主导作用。降雨（小强度降雨）和地震共同作用较其单因素作用，边坡的稳定性更低，更容易产生滑坡，但是共同作用产生的失稳效果并不是单因素作用产生失稳效果的简单叠加。

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作者：田松何1；郑红超2；璩泽君3 单位：1．黑龙江科技大学建筑工程学院2．贵州大学土木工程学院；3．贵州大学土木工程学院