在地震荷载下边坡堆载对机场高填方边坡稳定性影响分析_刘波.pdf

2020年第12期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-04-01修回日期 2020-04-02 作者简介 刘波 （1981-） ， 男 （汉族） ， 湖南永兴人， 高级工程师， 现从事地质地质灾害防治和边坡治理方向研究工作。 在地震荷载下边坡堆载对机场 高填方边坡稳定性影响分析 刘波* （四川省地质矿产勘查开发局404地质队， 四川 西昌 615000） 摘要 随着基础设施的大规模建设， 尤其在西南地区， 常常会对工程场区的边坡进行挖方填方处 理。以贵州省仁怀市茅台机场2斜坡为例， 运用FLAC3D数值模拟软件， 对该机场边坡在地震作用 下堆载前、 后两种工况下的塑性区、 位移进行数值模拟计算。数值计算结果表明 地震荷载下， 边坡 堆载前， 边坡土体整体处于稳定状态， 没有发生塑性破坏； 边坡堆载后， 边坡堆载前最大位移为 15.6mm， 边坡堆载后最大位移为41.9mm， 且在堆载的区域局部土体发生了塑性破坏并出现了塑性 区贯通的现象， 边坡堆载使得边坡局部产生较大位移和塑性破坏， 极易发生局部滑动。 关键词 边坡堆载； FLAC3D； 数值模拟； 地震荷载 中图分类号 U416 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202012-0017-04 随着第十三个五年计划的开展， 我国西部越来越多 的机场、 公路、 铁路被修建， 涉及到越来越多的高边坡填 挖方问题。边坡稳定问题是我国西南地区基础设施建 设面临的重要问题， 它不仅关系到工程设计、 施工、 进 度、 投资， 还有可能影响工程的可行性和安全性[1-2]。 人们目前对高填方边坡做了大量的研究， 如四川 九龙机场地基变形和稳定性系统研究[3]， 贵州六盘水机 场高填方边坡稳定性研究[4]， 昆明新机场边坡稳定性研 究[5]， 甘孜机场日柯高填方边坡动力稳定性分析[6]等。 主要研究内容包括边坡稳定、 失稳的塑性区、 失稳原 理、 破坏变形机制、 破坏模式及稳定性分析。但综合考 虑地震作用、 挖方和边坡堆载等因素综合作用的研究 成果还不是很多。西南地区地形多变， 其修建的机场 不可避免地涉及到高边坡挖方堆载的问题。实际施工 的过程中， 出现坡体的不均匀沉降、 导致了高填方边坡 易发生滑坡的现象也时有发生。因此， 在前人高填方 边坡稳定性理论研究的基础上， 以贵州省仁怀市茅台 机场2斜坡为研究对象， 通过FLAC3D软件， 利用数值 模拟的方法， 在地震荷载下， 对边坡在是否堆载两种工 况下的变形破坏过程进行分析， 研究其变形破坏规律。 1工程概况及地质条件 贵州茅台机场场区位于贵州省黔北高原北缘， 娄 山山脉延伸地带向四川盆地过渡的斜坡地带， 从南到 北山地崎岖， 峰岩峻峭， 沟谷纵横交错， 形成东南部高 峻， 中部相对平缓的地形特征。 该机场场址位于大娄山脉西段北侧， 黔北山地向 四川盆地低山丘陵过度地段， 贵州省仁怀市北部， 坐落 在距离仁怀市市区约有21km的高大坪乡银水村。机 场用地面积约为2946亩， 机场跑道长2600m， 两端安全 道各长300m， 飞行区总长3200m， 跑道槽宽45m， 道肩 1.5m， 总宽度48m， 该机场最大填方高度58m， 最大挖 方高度56m， 该机场最大的填方量为1656104m3， 挖方 量约为1810104m3。 2斜坡整体呈 SW 向展布， 潜在滑动主方向为 233， 斜坡平面形态呈心型， 前缘收窄， 后缘较宽， 后缘 最宽处达 170m， 前缘宽约 20m。坡体中后部坡度较 大， 坡度约为22， 中前部相对较缓坡度约13。坡体左 右两侧均有冲沟发育， 冲沟宽度3～5m， 深1～3m。斜 坡体后缘高程1235～1269m， 前缘位于斜坡坡脚沟谷， 高程1135～1244m， 相对高差约70～130m， 坡面整体坡 度约为22。 2高填方边坡稳定性分析方法 2.1定性分析法 定性分析法主要是通过工程地质勘察， 对影响边 17 2020年第12期西部探矿工程 坡稳定的因素， 可能的变形模式、 破坏机制及失稳力学 机制的分析。其优点是能对高填方边坡的稳定性的多 种因素进行综合考虑， 能够比较快速对边坡的稳定性 状况和趋势做出评价。其常用的方法包括工程地质类 比法、 几何图解法、 边坡稳定专家系统。 2.2非确定性分析法 影响边坡的因素很多， 具有随机性、 不确定性和模 糊性等特点。现代科学理论不断被引入到边坡稳定的 领域， 主要包含边坡稳定的可靠性分析法、 随机过程 法、 人工智能和人工神经网络法等[7]。 非线性科学方法的应用， 使得分析结果更接近工 程实际情况， 研究人员能够更加全面和深入地认识边 坡破坏现象。 2.3极限平衡法 该法以摩尔库伦强度理论为基础， 通过分析土 体在破坏的那一刻的静力平衡来寻求问题的解。常用 的极限平衡方法包括 瑞典圆弧法、 Bishop法、 简布法、 M-P法、 Spencer法、 传递系数法和Sarma 法。 2.4数值模拟法 数值模拟方法是计算机时代的产物， 在考虑材料 的本构模型和几何模型的基础上， 通过数值计算获得 岩土体的变形和破坏特征， 并据此对边坡的稳定性进 行分析评价。其常用的方法包括 有限元法、 边界元 法、 拉格朗日有限差分法和离散元法等[8]。 数值模拟方法可以综合考虑边坡的复杂地质与几 何特性， 对边坡在多种荷载 （自重、 水荷载、 地震荷载 等） 作用下的变形破坏进行分析， 已经成为工程地质领 域的重要研究方法之一。因此， 本文采用数值模拟的 方法进行研究。 3地震作用下高填方边坡稳定性分析数值模拟 3.1FLAC3D计算方法 连续介质快速拉格朗日分析方法， 即 FLAC3D （Fast Lagrangian Analysis of Continua） ， 是基于拉格朗 日差分法的一种显式有限差分程序。FLAC 3D的应 用范围十分广泛， 尤其是在处理岩土工程领域内的相 关 科 研 和 工 程 问 题 时 发 挥 了 巨 大 的 作 用 。 在 FLAC3D 内有丰富的材料模型可以供研究者选择， 主 要包括 null零模型、 体积屈服模型、 可以反映蠕变特性 的粘弹性蠕变模型、 结构单元模型、 轴对称集合结构模 型、 动态分析模型、 热力模型等。FLAC3D对施工过程 力学行为模拟的基本原理是对所研究的对象进行离散 化处理后， 进行网格单元的划分， 且网格的单元与单元 间经由节点连接。在对连接节点进行荷载施加后， 基 于虚功原理可以获得节点位置处的不平衡力大小， 此 后再在各节点上重新施加上求解步骤得到的不平衡 力。反复执行迭代步骤， 直至节点上的最大不平衡力 达到足够小的数量级或者节点上的最大位移值的大小 不再变化后达到收敛平衡[9]。 3.2地震荷载模拟方法 地震荷载引起的边坡失稳问题是岩土工程中十分 关心的问题。目前主要的研究内容包括如何进行地震 力的模拟， 边坡在地震作用下的失稳形式有惯性失稳 和衰减失稳。 惯性失稳的分析方法有 拟静力法[10]、 动力分析 法、 滑块分析法和有限元法。衰减失稳的分析方法有 变形破坏分析法和流动破坏分析法。 拟静力法就是将地震作用简化为一个静力荷载作 用在边坡上， 根据不同的地震烈度， 地震力的大小也不 相同。该方法较为简单， 计算工作量很小、 参数易于确 定， 并积累了丰富的使用经验。 本文采用拟静力法， 将地震荷载简化为竖向荷载 来模拟地震作用对边坡稳定性的影响。 3.3数值网格模型的建立 根据边坡地质剖面及实测地形， 选择潜在主滑方 向的典型剖面建立计算模型。计算模型的介质材料分 为机场填土、 红粘土、 强风化白云岩、 中风化白云岩。 选取有代表性的剖面， 进行有限元分析计算。依据场 地堆载前后的地质地形资料， 分别建立边坡堆载前 （工 况一） 、 堆载后 （工况二） 两个工况的数值模型。 由有限元软件Ansys建立几何模型， 然后通过An- sys-FLAC3D接口程序将已建好的几何模型按六面体 单元进行网格划分， 划分好的模型见图1。 a工况一数值模型b工况二数值模型 图1边坡地质剖面模型 2斜坡一共简化分为四层介质， 根据各层介质在 空间上的分布不同， 工况一将边坡划分为7个区域， 工 况二划分为4个区域。 3.4坐标系定义及模型范围的界定 X轴正向指向的为滑坡的滑动方向， 竖直向上为Z 轴的正向，Y轴指向坡内， 根据现场勘察资料以及报 告， 选取2边坡2-2剖面 （最不利剖面） 进行数值模拟， 18 2020年第12期西部探矿工程 X方向范围0～394m，Y方向范围为0～70m，Z方向与 重力方向相反， 高程范围1110～1263m。 3.5边界条件的设置 Flac3D软件对于有限的边界约束提供了两种类 型 应力边界和位移边界。本次模拟为了准确反映现 场的真实情况， 采取了如下的边界条件设置 初始应力 状态， 底部边界 （X、 Y和Z方向） 的位移为0， 左右侧边 界X方向均为0，Y、 Z方向自由； 前后侧边界Y方向均 为0，X、 Z方向自由； 顶部边界自由。地震工况下， 边界 条件如上。 3.6物理参数的选取 根据现场工程地质调查、 勘探和试验。采取室内 试验， 根据 岩土工程勘察规范 （GB50021-2009） 推荐 的公式， 分别对各粘土、 白云岩物理力学参数试验值进 行了数理统计； 参数反演分析的断面选取， 结合机场所 在斜坡已有滑坡特点， 采取暴雨工况稳定性系数0.98 进行反演； 工程类比法， 根据现场调查、 钻孔揭露及对 表层粘土取样所进行的物理性质试验结果， 同时参照 与此斜坡相类似地质条件的有关坡体参数， 对粘土、 泥 质夹层等进行了工程类比。 综合以上三种方法， 确定机场边坡可能潜在滑面 稳定性计算所需的参数综合取值见表1。 岩土类型 机场填土 红粘土 强风化白云岩 中风化白云岩 天然状态 c （kPa） 63 34.5 2000 5000 φ 25 10.4 32 38 γN/m3 2160 1920 2660 2700 弹性模量 EMPa 30 5.85 400 2500 泊松比 υ 0.28 0.38 0.28 0.2 体积模量 KMPa 22.73 8.13 303.03 1388.89 剪切模量 GMPa 11.72 2.12 156.25 1041.67 表1边坡物理参数 3.7坡体变形规律分析 根据现场勘察结果， 按照实际工程中挖方和填方 的数量， 在FLAC3D中分层次、 分区域地建立与实际工 程吻合的数值模型。计算时， 先平衡自重应力， 再把自 重应力下产生的位移和速度进行清零， 然后开始地震 工况的模拟。 边坡堆载前和边坡堆载后， 两种工况下的位移和 塑性区模拟结果见图2。 图2位移计算结果 从图2a堆载前的总位移云图可以看出， 最大位移 出现在边坡的左上方， 范围较小， 最大值为15.6mm； 从 图2b堆载后的位移云图可以知， 位移最大值位置发生 在堆载的区域， 最大位移值达到41.9mm。 从图2c和图2d边坡Z方向的位移云图可知， 堆 载前， 最大位移出现在边坡的左上方， 最大值达到 15.2mm； 堆载后， 最大位移出现在堆载区域， 最大值为 37.0mm。 由于挖方、 堆载等工程措施的实施， 导致边坡高度 发生变化， 边坡内的应力分布不均匀。在地震荷载的 作用下， 应力分布又进行调整， 因而导致不同部位的变 形量就不等， 总体上表现为从上至下逐渐减小。 从图3所示的塑性区分布云图可知， 边坡堆载前， 边坡土体整体处于稳定状态， 没有发生塑性破坏； 边坡 堆载后， 在堆载的临空面上出现了剪切和拉伸塑性破 坏。两种工况对比分析可知， 边坡堆载以后， 局部区域 变形量增大， 发生了贯通性的塑性破坏， 边坡处于不稳 定状态， 随时可能会发生滑坡或崩塌。 4结论 （下转第23页） 图3塑性区分布云图 19 2020年第12期西部探矿工程 （2） 该滑坡失稳的内在机理是上覆土层和浅表强 风化层为滑坡提供了物质基础， 受持续降雨影响， 土体 力学性质变差， 产生蠕变变形， 最终在强降雨作用下， 滑坡后缘拉裂缝贯通， 形成完整滑面， 导致滑坡最终失 稳。 （3） 滑坡失稳主要受地层因素、 地形地貌条件、 水 的作用以及人类工程活动等因素影响。其中， 地层因 素主要是覆盖层结构松散， 渗透性好， 地表水能快速下 渗， 导致坡体的稳定性逐渐降低； 地形地貌条件主要是 该地区陡坎发育， 为滑坡的变形提供了临空面； 水的影 响是滑坡的触发性因素， 连续的降雨以及强降雨等因 素的综合作用， 导致土体饱和自重增加， 岩土体的抗剪 强度降低， 从而层致最终的滑坡。 （4） 该滑坡是受降雨作用影响， 大量地表水入渗， 土体含水量大幅度增加， 滑带土的抗剪强度降低， 孔隙 水压力不断升高， 坡体的自稳能力逐渐降低。在重力 作用下， 坡体后缘拉裂缝位置不断变形， 形成较大的拉 裂槽， 并逐渐向下滑移， 推动下侧土体发生整体滑动， 最终导致滑坡体失稳， 为典型的推移式滑坡破坏模式。 参考文献 [1]丁俊,魏伦武,赖绍民,等.我国西南地区城市地质灾害与防治 对策[J].中国地质灾害与防治学报, 2004,15 增刊119-122. 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