江文1 曾海凌2
1.重庆铁路投资集团有限公司，重庆，400025；2.西南交通大学，四川 成都，610031
摘 要 高陡边坡易收到各类不稳定因素产生崩塌、滑坡等地质灾害，而产生崩塌、滑坡的重要因素是由于断层错动，本文基于Plaxis 3D有限元软件，通过建立四种不同角度下的堆积型高陡边坡，利用数值模拟施加0.2m的走滑错动量，探究了边坡的安全性临界坡面角度问题，得出如下结论：四种坡角的堆积型高陡边坡竖直变形都集中于走滑方向最远端的边坡处，且有顶点向两侧边坡逐渐递减；随着边坡角度的增大，最大变形量有减小的趋势，随着边坡的坡角由陡变缓，坡体的变形也由坡面逐渐向坡体内部延伸，在小走滑错动量下，高陡边坡对变形的抑制能力更强；不同坡比的边坡破坏点的集中范围主要为边坡的坡面，随着坡面角度的增加，破坏点逐渐由坡面向坡体内部延伸，且破坏点逐渐向走滑反方向延伸；堆积型边坡在0.2m走滑量下的临界安全坡角为1∶1~1∶1.25之间，当坡角小于1∶1.25时，其破坏将不会产生较大差别。
关键词 走滑断层；堆积型高陡边坡；数值模拟；临界安全角度
1 引言
高陡边坡为坡面高度大于20m且坡脚为30°~60°，这类边坡因受到各类不稳定因素的影响，经常出现崩塌、滑坡等地质灾害[1]。我国西南地区为地质灾害频发区，地震的频发导致高陡边坡的安全性隐患大大增加[2]，而断层机制的研究将对地震产生深远影响。国内外学者针对地震作用下边坡的稳定性做出了重要研究，言志信等[3]基于FLAC 3D建立了全长黏结锚杆锚固顺倾岩体边坡数值分析模型，针对地震作用下的顺倾岩体边坡锚固界面剪切作用做了相应分析，王飞等[4]以功东高速大营盘碎石土深路堑高边坡为研究对象，通过FLAC 3D模拟分析研究高烈度地区地震作用下高边坡开挖及时支护的工序下的自然和降雨工况不同的变形和动力响应规律。断层错动是地震发生的主要形式之一，基于断层错动引发的堆积型高陡边坡问题还未达到深入阶段。本文基于Plaxis 3D数值模拟建立了不同坡面角度的堆积型高陡边坡模型，通过调整边坡的坡面夹角，探讨在走滑断层错动下堆积型高陡边坡处于安全状态的临界坡面角问题，从而得出坡面的最大安全坡角，对地质灾害频发的地区边坡工程施工产生进一步认识。
2 走滑断层下不同坡面夹角堆积型高陡边坡模型的建立
本文基于Plaxis 3D分别建立四种不同坡角的堆积型高陡边坡模型，如图1所示，堆积型边坡采用四种不同土层进行模拟，从上到下分别为黏土层，碎石土层，砾石层以及基岩层，位于边坡最下部的为断层模拟带，断层的宽度设置为100m，断层的断裂带设置在边坡坡面以下，走滑断层段为30m，边坡的高度设置为40m，断层厚度为10m，四个模型的坡比分别为1∶0.75，1∶1，1∶1.25，1∶1.5。断层走滑方向设置为y向，走滑距离设置为0.2m。
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图1 堆积型高陡边坡模型
为更好地模拟实地边坡在走滑断层作用下的破坏形式，本文对于土体本构关系采用摩尔-库伦准则，对于边坡各类土体均不考虑地下水的影响，通过进一步调查，采用如表1所示的土体力学参数进行模拟。
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3 走滑断层下不同坡面夹角堆积型高陡边坡模拟结果分析
高陡边坡的坡角在30°~60°区间内，本文采用坡比为1∶0.75，1∶1，1∶1.25，1∶1.5的坡角进行模拟分析，为进一步研究断层对于边坡坡面的影响，将断裂带设置于距坡角10m处，断层走滑段进行网格细化，如图2所示，通过走滑断层前后边坡的变形以及破坏点的分布来进行安全性的比较。
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图2 堆积型边坡网格划分
3.1 走滑断层错动下不同坡角堆积型高陡边坡变形分析
不同坡角的堆积型高陡边坡在走滑断层下会产生不同程度的变形，本文采用最大变形来描述堆积型高陡边坡的安全状况，如图3-6所示，为四种坡角在走滑错动量0.4m下的变形云图。
图3 1∶0.75位移云图 图4 1∶1位移云图
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图5 1∶1.25位移云图 图6 1∶1.5位移云图
综合上图竖直向变形云图分析可知，在0.2m走滑错动量下，四种坡角的堆积型高陡边坡竖直变形都集中于走滑方向最远端的边坡处，且有顶点向两侧边坡逐渐递减，分析原因可能是由于走滑断层带动了临近土层的移动，由于边坡的边界条件为半无限空间，位于断层顶面的土层产生了变形累积现象；随着边坡角度的增大，最大变形量有减小的趋势，说明断层走滑在刚开始阶段，高陡边坡对变形有抑制作用，而低缓边坡对于走滑产生的变形有放大作用；在0.2m走滑错动量下，随着边坡的坡角由陡变缓，坡体的变形也由坡面逐渐向坡体内部延伸，说明在小走滑错动量下，高陡边坡对变形的抑制能力更强，分析其原因可能是由于断层发生时，高陡边坡的坡体相对于低缓边坡致密，更容易抵抗变形。
3.2 走滑断层错动下不同坡角堆积型高陡边坡破坏点分析
在0.2m走滑错动量下，四种不同坡角的堆积型高陡边坡都产生了不同形式的破坏，而破坏点的集中区域都位坡面走滑方向端。如图7-10所示，为坡比1∶0.75，1∶1，1∶1.25，1∶1.5的边坡破坏点图。
图7 1∶0.75破坏点图 图8 1∶1破坏点图
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图7 1∶1.25破坏点图 图8 1∶1.5破坏点图
综合上图分析可知，在0.2m走滑错动量下，不同坡比的边坡都产生了破坏，而破坏点的集中范围主要为边坡的第二土层——碎石土层、第三土层——砾石层以及走滑面附近，且两层土体的破坏点大都集中于走滑方向一端，分析其原因，可能是由于走滑方向的土体产生了较大的应力，产生了剪切破坏，而破坏点大都集中于坡面，可能是由于坡面的另一端缺少了相邻土体的黏聚力和抗剪切力；随着坡面角度的增加（图10-图7），破坏点逐渐由坡面向坡体内部延伸，且破坏点逐渐向走滑反方向延伸，说明在走滑错动下，堆积型高陡边坡更容易集聚更大的破坏内力，而随着走滑量的增加，由于内力的释放逐渐产生进一步的破坏。
综合分析0.2m走滑错动量下堆积型边坡的变形和破坏点分布可知，在坡比为1∶1.5时堆积型边坡将产生最大变形，而最大变形主要集中于走滑段的上方且区域较小，未向坡体内部深入；在坡比为1∶0.75时堆积型边坡将产生最大破坏点范围，而坡比为1∶1.25和坡比为1∶1.5时的破坏点主要集中于坡面附近，且分布范围较为分散，不易产生集中破坏。综上所述，堆积型边坡在0.2m走滑量下的临界安全坡角为1∶1~1∶1.25之间，当坡角小于1∶1.25时，其破坏将不会产生较大差别。
4 结论
本文基于Plaxis 3D通过建立0.2m走滑错动量下的堆积型高陡边坡有限元模型，从边坡的变形和边坡的破坏点分布探究了不同角度下的边坡破坏形态，具体得出以下结论：
（1）在0.2m走滑错动量下，四种坡角的堆积型高陡边坡竖直变形都集中于走滑方向最远端的边坡处，且有顶点向两侧边坡逐渐递减；
（2）随着边坡角度的增大，最大变形量有减小的趋势，断层走滑在刚开始阶段，高陡边坡对变形有抑制作用，而低缓边坡对于走滑产生的变形有放大作用，随着边坡的坡角由陡变缓，坡体的变形也由坡面逐渐向坡体内部延伸，在小走滑错动量下，高陡边坡对变形的抑制能力更强；
（3）不同坡比的边坡破坏点的集中范围主要为边坡的第二土层——碎石土层、第三土层——砾石层以及走滑面附近，且两层土体的破坏点大都集中于走滑方向一端，随着坡面角度的增加，破坏点逐渐由坡面向坡体内部延伸，且破坏点逐渐向走滑反方向延伸；
（4）堆积型边坡在0.2m走滑量下的临界安全坡角为1∶1~1∶1.25之间，当坡角小于1∶1.25时，其破坏将不会产生较大差别。
5 基金支持
[1] 四川省科技计划项目应用基础研究，川藏铁路施工期地震监测预警技术研究，2020YJ0253
参考文献
[1]李庶林,赵睿鸣,彭府华,陈东霞.基于强度折减法的高陡边坡滑坡治理稳定性分析[J].建筑科学与工程学报,2020,37(01):120-126.
[2]薛翊国,孔凡猛,杨为民,邱道宏,苏茂鑫,傅康,马新民.川藏铁路沿线主要不良地质条件与工程地质问题[J/OL].岩石力学与工程学报.
[3]言志信,张森,龙哲,周小亮.地震作用下顺倾岩体边坡锚固界面剪切作用分析[J].振动与冲击,2020,39(03):260-268.
[4]王飞,吴红刚,郭春香.碎石土路堑高边坡地震动力响应过程分析[J].中国地质灾害与防治学报,2020,31(01):18-24.