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降雨與地震共同作用下碎石土邊坡的穩定性分析

文檔作者：李曉蓮1 余云燕2 陳志敏2 文檔來源： 1．天水師范學院 2．蘭州交通大學土木工程學院		點擊數：	更新時間： 2025年09月25日
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施工技術
CONSTRUCTION TECHNOLOGY
2015年7月上
第44卷第13期
DOI：10．7672／s捌s2015130064
降雨與地震共同作用下碎石土邊坡的穩定性分析木
李曉蓮1，余云燕2，陳志敏2
(1．天水師范學院，甘肅天水74100l；2．蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州730070)
[摘要】為研究降雨與地震共同作用條件下碎石土邊坡穩定性的影響機制，通過建立樓房山隧道罐子溝端滑坡防
治工程數值計算模型，分別計算并分析了降雨單獨作用、地震單獨作用及降雨與地震共同作用條件下邊坡應力場、
位移場、塑性區及剪應變增量的變化規律，從而得出3種情況下邊坡穩定性的破壞機理。研究結果表明，降雨與地
震共同作用下碎石土邊坡的穩定性比降雨單獨作用或地震單獨作用時的穩定性差，更容易發生滑坡、泥石流等地
質災害。
[關鍵詞】邊坡；降雨；地震；穩定性；有限元分析
[中圖分類號】Tu753 [文獻標識碼]A [文章編號】1002．8498(2015)13-0064m8
Analysis on GraVel Slope Stability During Rainfall and Earthquake
Li×ia0¨anl，Yu Yunyan2，Chen Zhimin2
(1．n口，lslIluiⅣorm口Z踟如e舟i鈔，n口琊^越，GnwⅡ 74100l，C^in口；
2．&amp;amp;^00Z礦C如n E昭i肥eri帽，腸，曲oM^口o￡o增№iFe瑚i￡，，，如n^ou，如刪z 730070，吼i廳口)
Abstract：In order to research the af耗cting mechanism of gravel soil slope stability under the condition of
rainfaU alone， earthquake alone， both rainfaU and earthquake， this paper established the threedimensional
numerical model of Loufangshan gravel landslide，and analyzed the change mle of the stl-ess
field， displacement field，plasticity zone and shear strain increment of slope under the condition of both
rainfall and earthquake． The research result shows that the stability of gravel soil slope is decreased
greatly under the condition of both rainfall and eanhquake，and more prone to landslides or debris now．
Key words：slope；rainfhU；eanhquake；stability；finite element analysis
0 引言
在巖土工程領域，大量學者致力于研究降雨或
地震單一因素對邊坡穩定性的影響，如文獻[1]通
過人工降雨原型試驗、模型試驗、室內試驗及理論
分析，研究松散礫石土斜坡在降雨作用下坡面土體
的形態特征和土體性狀的變化以及斜坡穩定性和
該過程中可能出現的臨界狀態，探索坡面松散礫石
土觸變液化的過程和機理。文獻[2]通過現場工程
地質調查與勘探和室內外的物理力學試驗，采用數
理統計分析方法、不平衡推力法和不分離接觸彈塑
性有限元強度折減法，獲得了滑坡的整體穩定性系
數；運用碎石土邊坡地下水管網狀排泄系統的理
論，分析了該類型滑坡的變形解體破壞過程，揭示
了強降雨作用下淺層碎石土滑坡變形解體破壞的
·國家自然科學基金項目(51268031)
[作者簡介】李曉蓮，碩士研究生，講師，E·mail：linxiaoqi-li@
163．com
【收稿日期】2014m3．06
主要機理和一般的力學機理。文獻[3]通過大型模
型試驗研究降雨誘發三峽庫區碎石土滑坡變形破
壞的機理，分析了不同降雨強度、降雨歷時及坡度
下，碎石土斜坡的地下水運動特征、應力變化特征
和位移變形特征。文獻[4]通過FLAc20數值模擬了
土質邊坡在地震作用下的動態破壞過程，并提出關
鍵點相對位移法來判斷邊坡動力穩定性，地震邊坡
破壞主要是地震慣性力造成的剪切破壞。文獻[5]
利用動力有限元時程分析方法對邊坡在地震荷載
作用下的動力特性進行了分析，采用最小平均系數
對邊坡穩定性進行了評價，并與擬靜力法的結果進
行了對比分析。但是降雨與地震共同作用條件下
邊坡應力場、位移場、塑性區及剪應變增量的變化
規律還未見相關文獻報道。而“5·12”汶川地震及
降雨引發的各種滑坡災害及其帶來的巨大損失，促
使降雨與地震共同作用下邊坡穩定性分析與安全
性評價逐漸成為國內外巖土工程與防災減災工程
的研究熱點¨1。所以，研究降雨和地震共同作用下
萬方數據
李曉蓮等：降雨與地震共同作用下碎石土邊坡的穩定性分析65
邊坡的穩定狀況就顯得尤為重要。
本文以蘭州一海口高速公路武都一罐子溝段
的樓房山隧道罐子溝端滑坡防治工程為研究背景，
建立FLAC30數值計算模型，分析降雨和地震同時作
用條件下邊坡的應力場、位移場、塑性區及剪應變
增量的變化規律，從而推斷降雨和地震同時作用條
件下碎石土邊坡的穩定性變化規律，以及碎石土邊
坡在降雨和地震同時作用條件下發生破壞時的破
壞機理。
1 工程概況及模型建立
蘭州一海口高速公路武都一罐子溝段的樓房
山隧道罐子溝端滑坡位于侯家溝左岸峽溝里山坡，
坡體前緣高程達670．000m，后緣高程900．000m，相
對高差230m。根據勘探結果，滑坡區地層巖性主要
是第四系坡積碎(塊)石土(Q：。，Q：“)、下古生界碧
口群(Pzlbk；)砂質板巖夾千枚巖、變砂巖。地層物
理力學參數如表1所示。
表1 各地層基本巖體物理力學參數
Table l The basic physical and mechanical
parameters of soil
水毒％?性籌餾7學簍7蛩
該工程位于我國南北地震帶交匯處，屬地震多
發區，弱震密集成帶、時有強震發生。根據《中國地
震動參數區劃圖》GBl8306—200l的規定，該地區
地震動峰值加速度為0．209，對應的地震動反應譜
特征周期為0．40s，相當于8度基本設防烈度。
本工程所處地區降雨形式多為連陰雨、暴雨，
尤其是在夏秋兩季，常發生由于降雨持續時間長、
強度較大而產生的較為嚴重的水土流失，形成危害
極大的滑坡、崩塌、泥石流等地質災害。
由于該滑坡體積較大，且地形復雜，如果按實
際選型將會給計算帶來很大困難。所以，為考慮計
算速度問題并為提高計算精度，特選取滑坡體典型
工程地質的剖面圖來生成簡化的三維計算模型(見
圖1)，同時在計算中不考慮地下水、降雨和開挖對
邊坡的影響。模型邊界設為只有豎向位移的水平
約束，底部為固定約束，頂面不做約束，各巖層材料
均采用Mohr．Coulomb屈服準則，并按照非關聯流動
法則計算。由此生成的簡化三維計算模型共9 225
個單元，10 768個節點，x方向(線路軸線方向)長
295m，y方向(剖面垂直方向)寬30m，z方向(豎向)
高195m。
圖l計算模型
為更好地分析邊坡失穩的破壞機理，將邊坡按
照其材料組成劃分為3部分：滑體(碎石土)、滑帶
(碎石土)和基巖(砂質板巖夾千枚巖)，滑帶位置依
據工程經驗假定在碎石土與砂質板巖夾千枚巖的
接觸面上，取0．5m寬計算。
由于坡體材料為碎石土，而在《工程地質手冊》
(4版)、《巖土工程勘察規范》GB5002l一2001以及
《公路工程地質勘察規范》JTGC20—2011等規范中
很少有碎石土的抗剪強度(c，妒)值可供參考。因
此，根據《公路路基設計規范》JTGD30一2004中第
7．2條規定，本模型所用參數值的選取以地質調查、
現場鉆孔勘探、室內物理力學試驗以及胡明鑒等?
對礫石土邊坡所做的室內降雨模型試驗結果為依
據，綜合確定降雨和地震同時作用條件下各地層基
本巖體物理力學參數如表l所示。
按照《公路工程抗震設計規范》JTGB02—2013，
驗算邊坡穩定性時，只考慮水平地震荷載，方向水
平指向坡外，且地震荷載采用擬靜力法計算。即該
荷載在地震時對滑坡產生一水平作用力，從而增大
了邊坡產生下滑的可能性。水平地震荷載按下式
計算：
Eh。=G。C：KG。(1)
式中：Ci為重要性修正系數，取1．7；c。為綜合影響
系數，取0．25；甌為水平地震系數；G。為計算土體
重力(kN)；E、。為作用與邊坡計算土體重心處的水
平地震荷載(kN)。
本工程計算中，水平地震荷載是以體積荷載的
形式作用在邊坡土體上，并為簡化計算，將其作用
萬方數據
施工技術第44卷
效果以水平加速度的形式加載于坡體上，所以，以
下也稱地震動峰值加速度為地震水平加速度。為
能連續地表示地震對碎石土邊坡的影響，計算時所
采用的地震水平加速度值除規范規定的地震基本
設防烈度6，7，8度對應的0．059，0．19，0．159外，其
余數據按照內插法取值，分別為o．019(1．2度)、
0．079(6．4度)。
2 降雨與地震共同作用下的計算結果分析
2．1邊坡穩定系數
降雨與地震共同作用下邊坡穩定計算時采用
前述表1中數據與地震水平加速度進行組合，降雨
條件以含水率來表示。組合情況及穩定系數如表
2，3所示。
表2含水率分別為8．2％和11．3％時不同水平地震
加速度下的邊坡穩定系數
Table 2 SIope stabnity coemcient of diff電rent
horizontal seismjc acceleration under the moisture
content of8．2％and 11．3％
表3地震水平加速度分別為0．0lg和0．19時
不同含水率下的邊坡穩定系數
Table 3 SlOpe stabnity coe仃icient of difftrent moisture
content under the horizontal seismic acceleration of
0．0lg and O．19
含水率／％ 8．2 9．7 11．3 12．9 15．0
地震水平0．019 1．113 1．012 0．981 0 O．003 9 O．003 9
加速度O．1礙O．879 O．738 O．003 9 0．003 9 0．003 9
根據上述計算結果，繪制含水率分別為8．2％
和11．3％時不同地震水平加速度與邊坡穩定系數
的關系曲線(見圖2)以及地震水平加速度分別為
0．019和0．19時降雨與邊坡穩定系數關系曲線(見
圖3)。
由圖2可知，隨著地震水平加速度的增加，2種
不同含水率條件下邊坡的穩定性都在逐漸減小，且
含水率較小時減小趨勢較為平緩，當含水率達到一
定值后就開始急速下降，即含水率對邊坡穩定性的
影響存在一個臨界值。當含水率為8．2％時其下降
臨界點對應的是地震水平加速度為O．19處，而含水
率11．3％對應臨界點為0．079，說明含水率增大，臨
界點對應的地震水平加速度減小。含水率8．2％對
應的曲線位于含水率11．3％對應的曲線的外圍，且
較為平緩，說明含水率為8．2％時邊坡的穩定性比
含水率為11．3％時好。
由圖3可知，隨著含水率的增加，邊坡穩定性在
l 2
1．O
蒸os
刪O．6
囂0 4
0 2
0
02 O 04 O．06 O 08 0．1 O．12 O．14 O．16
地震水平加速度幢
圖2含水率為8．2％和11．3％時地震
水平加速度與邊坡穩定系數的關系曲線
Fig．2 The curve of reIationship between earthquake
acceIeration and the sIope stability coef矗cient
under the moisture content of
8．2％and 11．3％
l 2
l 0
籟0．8
孫。
灌04
0 2
0
8
圖3地震水平加速度為O．0lg和O．19
時降雨與邊坡穩定系數的關系曲線
Fig．3 The curVe Of reIationship between mOisture
cOntent and the sIope stabiIity cOe廊cient under the
earthquake acceleration of O．0lg and O．19
下降，且當地震水平加速度值較小時降低緩慢，當
地震水平加速度值較大時迅速降低，即存在一個臨
界值。地震水平加速度為0．019時的臨界點對應的
是含水率11．3％，地震水平加速度為0．19的臨界
點在含水率為9．7％處，說明地震水平加速度增加，
臨界點對應的含水率減小。地震水平加速度為
0．019對應的曲線位于地震水平加速度為0．19對
應曲線的外圍，且較為平緩，說明地震水平加速度
為0．0lg時邊坡的穩定性比地震水平加速度為
0．19時好。
2．2應力場分析
對不同降雨與地震組合條件下邊坡的戈方向和
z方向最大壓應力值進行匯總，并繪制相關曲線來
分析邊坡在降雨與地震共同作用下的穩定性。組
合條件下不同地震加速度與z方向和。方向壓應力
最大值關系曲線如圖4所示，組合條件下不同含水
率與戈方向和z方向壓應力最大值關系曲線如圖5
所示。
從圖4a中可以看出，隨著地震水平加速度的加
大，邊坡戈方向壓應力最大值在逐漸減小，呈直線下
降趨勢。含水率為8．2％對應曲線的擬合直線方程
萬方數據
李曉蓮等：降雨與地震共同作用下碎石土邊坡的穩定性分析67
585
舟580
≤575
蠶570
幽565
蓄560
)，)
地震水平加速度幢
a了方向
地震水、F加速度z
h二，J向
圖4組合條件下地震水平加速度與
壓應力最大值關系曲線
Fig．4 The curVe of relationship between different leVeI
Of earthquake acceleration and the maximum
stress under the combinatiOn condition
615
610
F605
主600
蠶||||
收575
皤；：2
5絮
舟
山
芝
R
堪
出
≮
皤
圖5組合條件下含水率與壓應力最大值關系曲線
Fig．5 The curve of reIationship between different
moisture conteⅡt and the maximum stress
under the combination condition
式為：
)，=一128．17戈+580．13 (2)
含水率為11．3％對應曲線的擬合直線方程
式為：
y=一131．75戈+580．94 (3)
由擬合直線方程的斜率可知，含水率為8．2％
時對應的直線斜率較小(128．17)，而含水率11．3％
(斜率為131．75)對應的直線在含水率為8．2％直線
的上方，說明地震水平加速度的增加對含水率為
11．3％的邊坡穩定性影響較大，且與含水率為
8．2％相比，邊坡含水率為11．3％時不同地震水平
加速度下的菇方向壓應力最大值較大。
圖4b規律與圖4a相似，即地震水平加速度的
增加對含水率為11．3％時邊坡的穩定性影響較大，
且由于雨水加劇土體質量使得其相應的壓應力最
大值也較含水率為8．2％時大。總的來說，隨著地
震水平加速度的加大，邊坡z方向壓應力最大值在
逐漸減小，呈曲線下降趨勢。
圖5a中的2條曲線分別是地震水平加速度為
0．019和O．19對應的不同含水率與z方向壓應力
最大值關系曲線。從圖中可以看出，隨著含水率的
增加，邊坡z方向壓應力最大值也在逐漸增加，呈曲
線增加趨勢，且在含水率<12．9％之前增加趨勢較
為平緩，而在>12．9％之后增加幅度較大，曲線坡度
較陡；在相同含水率處，地震水平加速度0．019對應
的石方向壓應力最大值較0．19對應的壓應力值大。
圖5b中的兩條曲線分別是地震水平加速度為
0．019和0．19對應的不同含水率與z方向壓應力最
大值關系曲線。由圖可知，當地震水平加速度一定
時，在含水率≤11．3％時，隨著含水率的增加，其對
應的=方向壓應力最大值也在增加，增加值較小；而
在含水率>11．3％后，壓應力最大值又隨著含水率
的增加而呈降低趨勢。地震水平加速度為0．019時
各含水率所對應的壓應力值比0．19對應的壓應力
值要大，這是由于相對于O．019而言，0．19時的邊
坡滑動較大，導致坡體上覆土減小，造成豎向壓應
力的降低。
2．3位移場分析
對降雨與地震共同作用下邊坡水平方向與豎
直方向位移的最大值進行統計分析，并繪制相關曲
線如圖6所示。
由圖6可知，隨著地震水平加速度的加大，邊坡
水平與豎直方向位移最大值都在逐漸增加，且呈明
顯的直線上升趨勢；含水率較大時，邊坡受地震影
響較大，相同地震水平加速度下產生的位移值較
大；隨著含水率的增加，邊坡水平與豎直方向位移
最大值都在逐漸增加，且呈明顯的曲線上升趨勢；
地震水平加速度較大時受地震影響較大，相同含水
率條件下產生的位移值較大。
2．4塑性區與剪應變增量分析
匯總各個降雨與地震組合計算的剪切塑性區
面積與剪應變增量最大值，并繪制其關系曲線如圖
M他m吣％∞陀∞％％
4
4
4
4
4
4
4
4
4
3
3
B(I至＼R通駕<堪 萬方數據="萬方數據" _x005F_x0036_8="68" 施工技術第44卷="施工技術第44卷" _x005F_x0036_="6" _x005F_x0035_="5" 趔3="趔3" 搔z="搔z" O="O" _x005F_x0030_4="04" _x005F_x0030_8="08" _x005F_x0030_="0" _x005F_x0031_2="12" _x005F_x0031_6="16" 地震水平加速度倌="地震水平加速度倌" a地震水平加速度與z方向="a地震水平加速度與z方向" 位移最大值關系曲線="位移最大值關系曲線" 地震水平加速度詹="地震水平加速度詹" 圖6組合條件下位移最大值關系曲線="圖6組合條件下位移最大值關系曲線" The="The" curVe="curVe" of="of" maximum="maximum" displacement="displacement" under="under" combinatiOn="combinatiOn" cOndition="cOndition" 圖7組合條件下不同地震水平加="圖7組合條件下不同地震水平加" 速度與剪切塑性區面積關系曲線="速度與剪切塑性區面積關系曲線" reIationship="reIationship" between="between" different="different" IeveI="IeveI" earthquake="earthquake" acceleration="acceleration" and="and" shear="shear" area="area" pIastic="pIastic" zone="zone" combina婦on="combina婦on" 大值隨著地震水平加速度的增加而呈直線增加的="大值隨著地震水平加速度的增加而呈直線增加的" 其相應地震水平加速度對應的剪應變增量最大值="其相應地震水平加速度對應的剪應變增量最大值" 圖9中的2條曲線分別是地震水平加速度為="圖9中的2條曲線分別是地震水平加速度為" 蘭="蘭" 趔="趔" _K="_K" 皤="皤" 磬="磬" 鍬="鍬" 毯="毯" 豁="豁" 圖8組合條件下不同地震水平加速度與剪應變增量="圖8組合條件下不同地震水平加速度與剪應變增量" 最大值關系曲線="最大值關系曲線" leVel="leVel" _x005F_x0035_00="500" OOO="OOO" _x005F_x0030_00="000" _x005F_x0038_="8" 圖9組合條件下含水率與剪切="圖9組合條件下含水率與剪切" 塑性區面積關系曲線="塑性區面積關系曲線" relationship="relationship" moisture="moisture" content="content" 即剪切塑性區面積隨著地震水平加速度的增加而="即剪切塑性區面積隨著地震水平加速度的增加而" _x005F_x0034_="4" _x005F_x0032_="2" _x005F_x0032_8="28" 圖10組合條件下含水率與剪應變="圖10組合條件下含水率與剪應變" 增量最大值關系曲線="增量最大值關系曲線" _x005F_x0030_f="0f" diff電rent="diff電rent" stain="stain" jncrement="jncrement" 圖10中的2條曲線分別是地震水平加速度為="圖10中的2條曲線分別是地震水平加速度為" _x005F_x0033_="3" 性的分析對比="性的分析對比" 雨與地震共同作用時含水率取1="雨與地震共同作用時含水率取1" 說明降雨與地震共同作用時對碎石土邊坡的穩定="說明降雨與地震共同作用時對碎石土邊坡的穩定" 與地震共同作用時邊坡在戈方向的最大壓應力值分="與地震共同作用時邊坡在戈方向的最大壓應力值分" 圖ll="圖ll" 各種影響因素下邊坡J方向應力云圖="各種影響因素下邊坡J方向應力云圖" l="l" The工direction="The工direction" stress="stress" nephogram="nephogram" eff色cts="eff色cts" various="various" factOrs="factOrs" _x005F_x0030_n="0n" slOpe="slOpe" _x005F_x0037_0="70" a含水率為1="a含水率為1" 圖12="圖12" 各種影響因素下邊坡z方向應力云圖="各種影響因素下邊坡z方向應力云圖" z="z" direction="direction" eff電cts="eff電cts" fhctors="fhctors">50mm，會影響本裝置的使用效果，如
何提高保壓泵裝置的適應地層范圍需要進一步的
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(上接第7l頁)
穩定性隨著地震水平加速度的增加而逐漸降低。
3)在降雨與地震共同作用條件下，邊坡的穩定
性較地震或降雨單獨作用時要低，更容易發生滑
坡、泥石流等地質災害。
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