第３８卷第３期人民珠江 ２０１７年３月ＰＥＡＲＬ ＲＩＶＥＲ ｈｔｔｐ：／／ｒｍｚｊ．ｐｅａｒｌｗａｔｅｒ．ｇｏｖ．ｃｎ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—９２３５．２０１７．３．００２ 田松何，郑红超，璩泽君．降雨和地震作用下黏土边坡的稳定性分析［Ｊ］．人民珠江，２０１７，３８（３）：８—１２ 降雨和地震作用下黏土边坡的稳定性分析 田松何 ，郑红超 ，璩泽君 （１．黑龙江科技大学建筑工程学院，黑龙江哈尔滨 １５００２２； ２贵州大学土木工程学院，贵州 贵阳５５００２５；３．贵州大学土木Ｘ－程学院，贵州 贵阳５５００２５） 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 中图分类号：Ｐ４２６．６２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—９２３５（２０１７）３－０００８－０５ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃｌａｙ Ｓｌｏｐｅ ｕｎｄｅｒ Ｒａｉｎｆａｌｌ ａｎｄ Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ＴＩＡＮ Ｓｏｎｇｈｅ ，ＺＨＥＮＧ Ｈｏｎｇｃｈａｏ ，ＱＵ Ｚｅｊｕｎ。 （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５００２２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ ５５００２５，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ ５５００２５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｌｏｐｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｒａｉｎｆａｌｌ ａｎｄ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ，ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｓｏｉｌ ｓｌｏｐｅ ｉｎ ｔｈｒｅｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｒａｉｎｆａｌｌ ａｌｏｎｅ，ｅａ￣ｈｑｕａｋｅ Ｍｏｎｅ，ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｏｆ ｒａｉｎｆａｌｌ ａｎｄ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ，ａｎｄ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｓａｆｅｔｙ ｆａｃｔｏｒ ａｎｄ Ｎｅｗ— ｍａｒｋ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｉｎ １４ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，ｒａｉｎｆａｌｌ ｄｕｒａｔｉｏｎ，ｐｅａｋ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｉｓ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ａｓ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ：Ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｗｉｌｌ ａｐｐｅａｒ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒｓ， ａｎｄ ｔｈｅ ｐｅａｋ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｅａ￣ｈｑｕａｋｅ ｐｌａｙｓ ａ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｒｏｌｅ．Ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｒａｉｎｆａｌｌ ａｎｄ ｅａａｈｑｕａｋｅ ｉｓ ｌｏｗｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ｆａｃｔｏｒｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｌａｎｄｓｌｉｄｅ ｉｓ ｍｏｒｅ ｐｏｓｓｉｂｌｅ，ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ａｃｔｉｏｎ ｉｓ ｎｏｔ ａ ｓｉｍｐｌｅ ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ｆａｃｔｏｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｉｌ ｓｌｏｐｅ；ｒａｉｎｆｌｌ；ｅａｒｔａｈｑｕａｋｅ；ｓｔａｂｉｌｉｔ３￣ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 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４一＿９月降雨量达１ ２７９ ｍｍ，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３．２ ｋｍ处唐家山发生了特大型滑坡，导 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 致当地居民８４人死亡 Ｊ。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 经过强震过后，又经历长时问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。 基金项目：贵州省科学技术基金（黔科合Ｊ字［２０１０］２２４７号） 收稿日期：２０１６—１１－０１ 作者简介：田松何，男，安徽安庆人，主要从事岩土工程研究。 ８ 人民珠江２０１７年第３期 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没防的建议。李晓莲 通过 表Ｉ 黏土边坡的物理力学参数 ＦＬＡＣ ’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仃边坡应力场、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。 表２工况设置及计算结果 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Ｌ【Ｊ区施工项目拟利用化工厂 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 Ｉ：挖方出土堆筑起高出目前地面标高３５ ｍ 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１０～８０ Ｉｎｍ，块石粒径２００～２６０ ｔｒｉｍ，稍湿， 整场分布。 １．２构建模型 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 １二况下稳定性，使用采用摩根斯坦一普赖斯法对其 进行分析。其稳定性计算结果是１．０９２，参照ＤＢ ５０／ｌ４３— 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 本文采用ＧＥＯＳＴＵＤＩＯ软件进行数值模拟，其中边坡稳 定性采用ＳＩ ＯＰＦＪＷ程序中的摩根斯坦一普赖斯法，降雨和 地震分别采用ＳＥＥＰ／Ｗ和ＱＵＡＫＥ／Ｗ有限元程序进行分析。 摩根斯批Ｉ一普赖斯法考虑了全部平衡条件与边界条件，消除 ｆ＇ｔｔ－算方法Ｅ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 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Ｅｌ—Ｃｅｎｔｅｒｏ波，Ｅｌ—Ｃｅｎｔｅｒｏ波的纵向地震加速度峰 值为０．３４９ ｇ，汁算时将其调整为０．０５、０．１、０．２ ｇ即可，峰值 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５０ Ｉ｜１，高３５ ｎｌ，网格划分１ １４１个有限元单元和 ６２３个节点，初始水位情况见图ｌ。 加速度０．０５ ｇ时的时程曲线见图２，施加的方向为有限元所 示的 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，其计算结果 见表２，相应的安全系数时程曲线见图３。 口 ５ ” ’５ ¨ ■ ＊ 距离／ｍ 图１边坡有限元模型 １．３计算参数和工况设置 模型边坡的土质主要为黏性土，其具体参数见表１，且选 取表２中的工况分析降雨和地震对边坡稳定性的影响。 时间／ｓ 图２地震波加速度时程曲线（０．０５ ｇ） ９ 人民珠江２０１７年第３期 鬣峨删韫 ｌ ２６ １ ２４ ｌ ２２ ｌ ２ 簌 １ １８ 裂 ｌ ｌ６ １ １４ ｌ １２ Ｉ ｌ 时间／ｓ ｌ ０８ ０ ４ ６ ８ １０ Ｃ）ｏ．２ ｇ 时间／ｓ ａ）０，０５ ｇ 图３安全系数时程曲线 由表２及工况５、６、７可知，在３种不同的峰值加速度地 ｌ ３ 震作用下，边坡的最小安全系数随着峰值加速度的增加不断 糕峨 ＿荨 ｌ ４ Ｉ ３ ｌ ２ ｌ ｌ ｌ Ｏ ９ 减小。在０．２ ｇ时，边坡最小安全系数为０．９４６小于１．０，出 现失稳状态。峰值加速度０．０５ ｇ和０．１ ｇ对应的Ｎｅｗｍａｒｋ 永久位移均为０，说明边坡趋于稳定状态，同时也反映了安全 系数虽不能完全反映边坡的稳定性，但也有一定的参考作 用。反观边坡在０．２ ｇ地震作用下稳定性大幅下降，折减率 达到ｌ３．３７％，由此可见强震对于边坡稳定性的危害较大。 由图４峰值加速度０．２ ｇ时的位移矢量图可知其最大位移为 ０．０８９ ４１ ｍ且发生在边坡的后缘，边坡失稳破坏是源于边坡 后缘。 时间／ｓ ｂ）０．１ ｇ 目 ＼ 攘 耀 距离／ｍ 图４位移矢量 ｌ０ 人民珠江２０１７年第３期 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２０ ｍｍ／ｄ，降雨持时分别取１、２、３ ｄ。边坡的物理力学参数见表 １，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 持不变，而４９ ｈ以后出现陡然下降的趋势直至边坡破坏。总 之，小降ｍ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 幢 ∞ ｝呈 ｛弓 盯 ∞ｏ 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 界，坡体表面降雨区为流量边界或定水头边界，当孑Ｌ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 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程序中的初始孑Ｌ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Ｉ１］，采用Ｎｅｗｍａｒｋ永久位移 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 法分析边坡的稳定性。通过计算结果分析可知：①由表２中 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。由表２工况５、 ６、７和图７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 ∞ ∞ 赶摇瓣挂 ” ０ ０ 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４９ ｈ以前稳定系数基本保 Ｉ｛ Ｉ Ｅ世 ● ｌ ｌ ＝ 埠。 ｆＩ ｌ 群｝ ｉ —一 ４ 并｝｝ 二Ｉ 竺Ｌ 葺 一 ＝ ＝｛ ｆ 萋 Ｉ 一 ＿ ＊ Ｏ ０ ＇Ｏ ” ∞ ｜５ ∞ ｎ ∞ 距离，ｍ ｌ 】ｌ 葺 Ｉ １｛。嚣 ．＿｛ 撼 ＝：甘 ａ）２４ ｈ ａ）土水特征曲线 一｛． ｉ ｛ 【 『 ｌ １ ｌ １ ｒ 【Ｉ ｝ ｆＩ ｃ ｌ『 追 【 ｉ ．、 ＼ ——＿ 耀 ｝ ｌ ｆ Ｏ Ｓ ｍ １§ ∞ ∞ ∞ ＊ ∞ ∞ ＂ 负数孔隙水压力／ ・ 距离／ｍ ｂ１４８ ｈ ｂ）渗透系数函数 图５ 土水特征曲线及渗透系数函数 图６ 不同降雨持时的水位线变化情况（强度：２０ ｍｍ／ｄ） ｌ１ 人民珠江２０１７年第３期 耗憾洲韫 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（２０ ｍｍ／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４９ ｈ），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 口 ５ 目 ” ∞ ｇ ∞ 目 ∞ 距离向 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 ｃ）７２ ｈ 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 续图６不同降雨持时的水位线变化情况（强度：２０ ｍｍ／ｄ） 并不是单因素作用产生失稳效果的简单叠加。 参考文献： － 一 一一一一、 一 ＼ 、ｆ ｌ Ｉ －优化渭移面 ［１］龚文俊，李明永，吴志坚．降雨和地震耦合作用对滑坡稳定性的 影响——以甘肃西和Ⅲ号滑坡为例［Ｊ］．地震工程学报，２０１２， ３４（２）：１６１—１６６． 一 。＼ ｝ ＼ ［２］乔建平，杨宗佶，田宏岭．降雨滑坡预警的概率分析方法［Ｊ］． 工程地质学报，２００９，１７（３）：３４３—３４８． 一 － ＼１ 、 ［３］李守定，李晓，张军，等．唐家山滑坡成因机制与堰塞坝整体稳 定性研究［ｃ］／／第卜一次全国岩石力学与工程学术大会论文 集，２０１０：２９０８—２９１５． ［４］胡明鉴，汪稔，孟庆山，等．降雨作用下砾石土斜坡坡面形态及 Ｉ｝瓿界特性［Ｊ］．岩土力学，２００６，２７（９）：１５４９—１５５３． 图７安全系数时程曲线 的【况８、９、１０汁算安全系数可知，地震烈度和降雨强度不 ［５］孙永帅．降雨对边坡稳定性的模型试验及数值模拟研究［Ｉ）］ 北京：中国地质大学（北京），２０１２． ［６］傅方，赵成刚，李伟华，等．地震荷载作用下非饱和土边坡稳定 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 况８、ｌｌ、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０．２ ｇ时出现边坡失稳，永 久位移为０．０８７ ｍ；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 性数值模拟［ｃ］／／全国岩土力学数值分析与解析方法研讨会 ２０１３：４０８—４１４． ［７］梅涛，肖盛燮．降雨一地震耦合作用下边坡的稳定性分析［Ｊ］ 交通科技与经济，２０１２，１４（４）：ｌ一３． ［８］李晓莲，余云燕，陈志敏．降雨与地震共同作用下碎石 ：边坡的 稳定性分析［Ｊ］．施工技术，２０１５，４４（１３）：６４—７１． （责任编辑：张锦华） 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ｌＴ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 独作用效果的简单叠加，而是往往大于其叠 加的稳定系数 、 １２
