对南方岩质边坡的动力稳定性分析

摘要：近几年来在岩质边坡动力稳定性分析领域内取得了一些新的进展。许多学者致力于边坡动力学数值分析方法的研究，在岩质边坡动力反应分析等方面发现了一些新的规律，逐步完善了边坡静动力稳定性的分析方法。

关键词：岩质边坡;动力稳定性;分析

边坡动力稳定性分析应根据边坡的工程地质条件，确定边坡变形破坏的模式，判断边坡在动力作用下的失稳机制，本文根据工程实例，对边坡的动力稳定性分析做出初步判断与地质条件分析。

1 工程概况

某工程基岩岩性为灰白色、微红色中粒黑云二长花岗岩，局部露出辉绿岩脉、花岗细晶岩脉等。山坡上部有全风化带，水平深度约10～40m，强风化水平深度约20～60m，弱风化上段水平深度约120～160m。边坡V2类岩体位于坡体表层，一般均要挖除。V1类岩体位于坡体中上部的表层，均要用锚杆加固和喷射混凝土。边坡开挖后出露的主要是Ⅳ类岩体。开挖边坡一带地形坡度40°～45°，地表崩坡积层分布较广，水平厚度约10-20m，垂直厚度10～15m。

在坡高的中下部位分12级开挖，前7级每级高度20m，后5级每级高度30m，Ⅳ类岩体开挖坡比1:0.7，每级平台宽3m;前7步开挖后及时采用预应力锚索进行加固，锚索长度50～80m不等，预应力1000 kN时锚索的间距为4m×4m，预应力1500 kN时锚索的间距为5m×5m。

2岩质边坡动力稳定性分析方法

边坡动力反应分析的核心是边坡动力稳定性。边坡动力稳定性分析的方法以拟静力法最为简单，使用也最为广泛，积累了大量的工程经验，并且关于边坡的拟静力法有规范可循。

有限单元法是边坡动力学数值分析的主要方法之一。由于荷载与时间有关，相应的位移、应变和应力都是时间的函数，在建立单元体的力学特性时，除静力作用力外还需要考虑动荷载以及惯性力和阻尼力的作用。在引入这些量的影响后，就可以建立单元体和连续体的动力方程，然后采用适当的计算方法求解。在有限单元法的发展中，曾用线黏弹性模型表示土的应力应变关系，用振型叠加法求解运动方程。后来，许多学者对其从本构模型、计算方法方面不断加以改进，先后引入了非线性黏弹性模型、弹塑性模型、边界面模型、内时模型和结构性模型以及与其相应的复反应分析法、逐步积分法等计算方法。有限单元法可以考虑复杂地形，土的非线性、非均质性、弹塑性及土中孔隙水等因素的影响，能够深入分析土的自振特性及土体各部分的动力反应。动力有限单元法还可引入反映土体弹塑性、滞回性质的动力本构关系。而对计算区域的离散，通常是在空间上将土体离散成等参单元，在时域离散上采用差分格式。由于逐步积分法适用这种发展趋势，将来可得到较大的发展和应用。

岩质边坡动力反应在很大程度上受结构面控制。研究岩质边坡动力反应必须研究结构面的动力特性，特别是结构面的动力剪切特性。节理岩体的动强度是指动荷载作用下处于破坏条件时节理面上的动剪应力值，节理岩体动强度的大小与动荷载的性质有关，具有明显的速率效应和循环效应。

求解动力问题的边界条件设置有远置人工边界(截断边界)、粘滞边界2种。远置人工边界条件的办法在处理弹性波的能量逸散时，沿用静力条件下边界的设置，这样的边界对入射波起着完全反射的作用——既不传播，也不吸收任何能量。在动力体系中，这样被限制的能量会导致结果的严重失真。为使边界对计算结果产生的影响变小，就要求把模型的边界取得足够远，把模型的范围取得足够大，从而使边界反射的影响尽可能的小。由于模拟研究的对象不是结构物，而是边坡，它是自然地质的一部分，模型取多大才能消除边界的影响目前还不清楚，因此建议采用粘滞边界条件。粘滞边界通过在边界的法线方向和水平方向上设置独立的黏壶以便吸收来自模型内部的入射波。粘滞边界条件设置的远近不会影响边坡动力反应规律的认识，边坡动力反应问题的分析采用粘滞边界条件是合理的。这也使得我们建立边坡动力模型时只关心边坡附近的区域。而不必因担心边界条件的影响把边坡模型做的很大。

边坡岩体的动弹性模量Ed可由岩体声波资料利用公式换算得到，动弹性模量与岩体的声波波速、岩体密度和泊松比有关。动力反应计算的持续时间对边坡反应的影响体现在波动传播的过程中。对于尺寸较大的边坡，如果动力反应的计算持时太短，波动未能传播到边坡顶部，边坡的内部波场分布没有达到稳定，这时得到的边坡动力反应规律就不能真正反映边坡的动力反应规律。

3 主要的计算结果分析

通过实地踏勘与调查，在已有的工程勘察报告的基础上，对边坡工程地质条件进行分析，对工程岩体宏观力学参数进行选择;结合现场边坡开挖施工实际，在用赤平投影图法对可能不稳定块体进行定性分析的基础上，对各种可能的不稳定模式进行模拟，分别用三维楔形体和Sarma极限平衡方法(拟静力法)对边坡的稳定性进行分析，得到各种模式及不同工况下的边坡稳定性安全系数;第三，用有限元法分析边坡的静动力稳定性;将计算结果与施工期监测资料进行对比分析，提出边坡加固优化建议和安全施工建议。

在采用预应力锚索加固以后，各种可能不稳定模式(或块体)在不考虑降雨影响和地震条件时的正常持久工况下，边坡稳定性安全系数均接近和大于1.30;在不考虑降雨影响的Ⅷ度地震的偶然工况下，边坡稳定性安全系数均接近和大于1.10。

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