地震作用下反倾岩土复合边坡稳定性分析_郭建军.pdf

第 卷第 期重 庆 交 通 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年 月 （）：地震作用下反倾岩土复合边坡稳定性分析郭建军，王俊杰（重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆；重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室，重庆）摘要:基于极限平衡理论,通过顺次传递分析方法,建立了地震作用下反倾岩土复合边坡次生倾倒破坏的物理力学模型,推导了反倾岩土复合边坡在坡顶荷载、地震等作用下的稳定安全系数理论计算方法,并运用MA T L A B软件编写了相应的计算程序,分析了地震荷载作用对反倾岩土复合边坡的整体稳定性和坡体破坏模式的影响规律。研究结果表明:当地震影响系数不断提高时,边坡安全系数迅速减小,坡脚剩余下滑力增加,坡体中滑动岩层和倾倒岩层数量均增加,稳定岩层数量减小,坡体岩层失稳破坏;岩层倾角、坡面倾角和岩层厚度的值越小,地震作用对边坡稳定性的影响越滞后;不同岩层横截面岩石强度参数和坡顶荷载作用下,地震作用对边坡整体稳定性的影响规律基本一致,坡体安全系数在k0.20.3时出现拐点。关 键 词:岩土工程;地震荷载;反倾边坡;次生倾倒;稳定性分析中图分类号:TU 4 5 2文献标志码:A文章编号:1 6 7 4-0 6 9 6(2 0 2 3)0 1-0 7 4-0 9S t a b i l i t yA n a l y s i s f o rA n t i-i n c l i n e dR o c k-S o i lC o m p o s i t eS l o p eS u b j e c t e dt oS e i s m i cL o a d sGUOJ i a n j u n1,WANGJ u n j i e2(1.N a t i o n a lE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e r f o r I n l a n dW a t e r w a yR e g u l a t i o n,C h o n g q i n gJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,C h o n g q i n g4 0 0 0 7 4,C h i n a;2.K e yL a b o r a t o r yo fH y d r a u l i ca n dW a t e r w a yE n g i n e e r i n go fM i n i s t r yo fE d u c a t i o n,C h o n g q i n gJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,C h o n g q i n g4 0 0 0 7 4,C h i n a)A b s t r a c t:B a s e do nt h e l i m i te q u i l i b r i u mt h e o r y,ap h y s i c a lm e c h a n i c sm o d e l f o rs e c o n d a r yt o p p l i n go fa n t i-i n c l i n e ds l o p e sw i t hr o c ka n ds o i lc o m p o s i t i o ns u b j e c t e dt os e i s m i cl o a d sw a se s t a b l i s h e db yt h e m e t h o do fs t e p-b y-s t e pa n a l y s i s.T h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n m e t h o df o rt h es t a b i l i t ys a f e t yf a c t o ro ft h ea n t i-i n c l i n e dr o c k-s o i lc o m p o s i t es l o p eu n d e r t h e s l o p e t o p l o a da n de a r t h q u a k ew a sd e d u c e d,a n d t h e c o r r e s p o n d i n gc a l c u l a t i o np r o g r a mw a s c o m p i l e db yu s i n g MA T L A Bs o f t w a r e.T h ei n f l u e n c el a wo ft h ew h o l es t a b i l i t ya n df a i l u r em o d eo fa n t i-i n c l i n e dr o c k-s o i lc o m p o s i t es l o p es u b j e c t e dt os e i s m i c l o a d sw a sa n a l y z e d.T h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h es e i s m i c i n f l u e n c ec o e f f i c i e n t i n c r e a s e sc o n t i n u o u s l y,t h e s l o p e s a f e t yc o e f f i c i e n t d e c r e a s e s r a p i d l y,t h e r e s i d u a l s l i d i n g f o r c e a t t h e s l o p et o e i n c r e a s e s,t h en u m b e ro f s l i d i n ga n dt o p p l i n gr o c ks t r a t a i nt h es l o p e i n c r e a s e s,t h en u m b e ro f s t a b l e r o c ks t r a t ad e c r e a s e s,a n dt h es l o p er o c ks t r a t aa r eu n s t a b l ea n dd a m a g e d.T h es m a l l e rt h ev a l u e so fr o c ks t r a t u md i pa n g l e,s l o p es u r f a c ed i pa n g l ea n dr o c kt h i c k n e s sa r e,t h em o r e l a g g e dt h e i n f l u e n c eo fs e i s m i ca c t i o no ns l o p es t a b i l i t yi s.U n d e r t h ed i f f e r e n t r o c ks t r e n g t hp a r a m e t e r s i nr o c ks t r a t ac r o s s-s e c t i o n sa n ds l o p et o pl o a d s,t h e i n f l u e n c e l a wo fe a r t h q u a k ea c t i o no nt h eo v e r a l ls t a b i l i t yo fs l o p ei sb a s i c a l l yt h es a m e,a n dw h e nk0.20.3,t h es l o p es a f e t yc o e f f i c i e n t a p p e a r s i n f l e c t i o np o i n t.K e yw o r d s:g e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n g;s e i s m i c l o a d s;a n t i-i n c l i n e ds l o p e;s e c o n d a r yt o p p l i n g;s t a b i l i t ya n a l y s i s 收稿日期：；修订日期：基金项目：重庆市教委科学技术研究项目（）；重庆市技术创新与应用发展专项重点项目（）第一作者：郭建军（），男，四川南充人，讲师，博士，主要从事岩土边坡稳定性方面的研究。：引 言反倾层状岩质边坡广泛存在于铁路、公路、水利水电以及露天矿等工程中。从地质产状的角度分析，这类边坡稳定性好，不易失稳破坏。大量的工程案例证明了这类边坡往往孕育着大型倾倒变形破坏体，严重威胁着人民的生命财产安全，制约着工程建设进度。对于岩质边坡的倾倒失稳破坏，国内外学者已完成了许多的研究工作，并取得了相关的成果。等首先对边坡倾倒破坏的类型进行了划分；陈祖煜等针对 等提出的方法进行了改进；等采用悬臂梁弯曲模型，根据极限平衡理论，通过反倾边坡坡脚 的 剩 余 下 滑 力 判 断 边 坡 的 稳 定 性；等，在 等研究的基础上进行了完善；卢海峰等进一步了修正破坏面的形式、层间黏聚力的计算方法等；等提出采用传递系数法分析岩层倾倒破坏。在倾倒破坏边坡中存在一种次生倾倒破坏，即反倾岩层在坡顶堆载、坡脚卸荷、地震等作用下形成失稳破坏的模式。某露天矿边坡岩层在上覆土体压力作用下形成倾倒破坏，如图。郑允等给出了反倾岩层分别在坡顶荷载、降雨、地震作用下倾倒破坏的理论解析方法；王俊杰等、郭建军等根据室内物理模拟试验，结合理论分析，提出了反倾岩质边坡在坡后土体推力作用下的稳定性分析方法。针对反倾岩层在地震作用下的稳定性分析，目前的研究主要采用振动模型试验和数值计算方法，未形成成熟的理论计算方法。图 反倾岩质边坡在土体推力作用下次生倾倒破坏案例 随着西部大开发的不断推进，基础设施建设规模增大，在工程中可能出现反倾岩土复合边坡修建建筑物或者构筑（图），尚未有关于此类边坡地震响应机制的研究成果及相应的稳定性理论分析方法。笔者采用顺次传递分析法，考虑水平地震作用力的影响，建立地震作用下反倾岩土复合边坡滑动倾倒破坏的地质力学模型，推导出了水平地震力作用下反倾岩层稳定性的理论计算公式，分析了边坡物理力学参数和地震荷载对坡体稳定性的影响规律，并用 编写了水平地震作用下反倾岩土复合边坡的安全系数和破坏模式的计算程序。图 反倾岩质边坡次生倾倒现象示意 地质力学模型建立地质力学模型如图。为坡面倾角；为岩层的层面倾角，为边坡高度。在每一岩层上建立 平面坐标系，为岩层 从坡表至坐标原点的长度。为土体重度，为岩层层面之间黏聚力，为岩层层面之间内摩擦角，为岩层重度，为岩层横断面黏聚力，为岩层横断面内摩擦角，为坡顶荷载，、分别为坡体岩层的黏聚力、内摩擦角正切值和抗拉强度的折减系数。在边坡工程中，考虑地震作用的影响，一般采用拟静力来计算水平地震力的大小，水平地震力为，其中 为地震影响系数，为岩土体的自重。岩层 的厚度记为，则坡体岩层总厚度为 。根据三角函数关系有：（）（）（）（）其中，与土体相邻的岩层 的长度为：（）岩层 从坡表处岩层的中点 到坡里坐标原点的距离为，比 更短，两者的关系为：（）（）（）考虑边坡岩体从坡表至坡体内部，岩层的节理第 期郭建军，等：地震作用下反倾岩土复合边坡稳定性分析发育程度和风化程度存在差异，岩层在长度方向的黏聚力、抗拉强度 和内摩擦角正切值 应逐渐变化。在坡体内部，弱风化或者未风化岩体的黏聚力、抗拉强度和内摩擦角正切值分别用、和 表示，则岩层在长度 范围内，任意横截面的、和 可以近似通过线性函数表示：（）（）（）（）（）（）图 反倾岩土复合边坡在地震及坡顶堆载作用下的分析模型 岩层内力分析 任意岩层 的受力分析选坡