動(dòng)力荷載作用下土質(zhì)邊坡加速度響應(yīng)規(guī)律分析*

劉 華，段 建

(1.湖南建工集團(tuán)總公司，湖南 長(zhǎng)沙 410011;2.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

動(dòng)力荷載作用下土質(zhì)邊坡加速度響應(yīng)規(guī)律分析*

劉 華1，段 建2

(1.湖南建工集團(tuán)總公司，湖南 長(zhǎng)沙 410011;2.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

應(yīng)用FLAC數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)土質(zhì)邊坡動(dòng)力加速度響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了分析.研究發(fā)現(xiàn):土體濾波與低頻放大作用致使邊坡加速度響應(yīng)表現(xiàn)為垂直放大現(xiàn)象;波界面反射與疊加特性致使邊坡加速度響應(yīng)表現(xiàn)為臨空面放大現(xiàn)象;PGA放大系數(shù)隨坡高增加呈現(xiàn)“增加－衰減－增加”三段形態(tài)，其衰減現(xiàn)象主要由于坡腳潛在受拉剪滑帶的形成所致;地震邊坡潛在滑移面下部土體單元加速度響應(yīng)小，而上部土體單元加速度響應(yīng)大.

土質(zhì)邊坡;動(dòng)力響應(yīng);加速度

汶川地震災(zāi)后邊坡地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，一些傳統(tǒng)的工程地質(zhì)觀點(diǎn)與實(shí)際情況有所不符，因此，一些觀點(diǎn)我們不得不重新審視.相繼，地震荷載作用下邊坡動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律、巖土體破壞機(jī)制及動(dòng)力穩(wěn)定性評(píng)價(jià)等問題已成為巖土工程界和地震工程界的一個(gè)熱門話題，引起了廣大巖土、地質(zhì)工作者的高度重視.邊坡動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律是一典型的多學(xué)科交叉難題，其不僅涉及地震工程學(xué)領(lǐng)域，還涵蓋巖土地質(zhì)工程學(xué)、巖土體損傷力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等學(xué)科知識(shí)，目前尚處探索研究階段，因其問題錯(cuò)綜復(fù)雜，難度大，研究很不成熟［1－5］.本文通過有關(guān)算例利用FLAC［6］數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)土質(zhì)邊坡動(dòng)力加速度響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行嘗試性探討.

1 算例基本資料

均質(zhì)土坡坡高40m，坡角為450，計(jì)算邊界按下列原則確定∶坡腳至模型邊界距離為坡高的1倍，坡頂?shù)侥Ｐ瓦吔缇嚯x取坡高的2倍，計(jì)算模型總高為坡高2倍.邊坡土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，計(jì)算時(shí)土體材料采用理想彈塑性本構(gòu)模型，屈服準(zhǔn)則則采用Mohr－Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則.為了避免數(shù)值模擬動(dòng)力計(jì)算過程中模型邊界波反射問題，模型底部采用靜態(tài)邊界條件，四周則采用自由場(chǎng)邊界，阻尼選用局部阻尼，阻尼系數(shù)取0.157，先進(jìn)行靜力平衡計(jì)算，后進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算分析.計(jì)算模型及單元網(wǎng)格劃分如圖1所示.

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

地震波選用1995年日本kobe地震水平向加速度時(shí)程曲線，該地震震級(jí)為7.2級(jí)，截取其中具有代表性的25s長(zhǎng)的地震波，加速度峰值為0.83m/s2，時(shí)間步長(zhǎng)為0.02s.假定該邊坡所處地區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度，計(jì)算中輸入的地震波峰值加速度應(yīng)為2m/s2，因此，應(yīng)對(duì)kobe按比例進(jìn)行縮放，即加速度放大2.41倍，并進(jìn)行地震波基線校正和濾波處理，獲得地震波加速度時(shí)程曲線如圖2所示.

為了驗(yàn)證計(jì)算模型動(dòng)力邊界條件的合理性，計(jì)算模型在底面邊界和左右側(cè)邊界均設(shè)置了監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其加速度、速度時(shí)程反應(yīng)與傅立葉譜都沒有明顯的差異，這表明邊界模擬的效果很好.我們?cè)诟櫮Ｐ偷撞扛浇募铀俣葧r(shí)程，與輸入的加速度時(shí)程曲線相符合，這說明，地震波的輸入是正確的.

圖1 計(jì)算模型剖面(單位∶m)

圖2 調(diào)整修正后的地震波

2 加速度響應(yīng)分析

為了描述地震作用下邊坡加速度響應(yīng)規(guī)律，我們定義坡體內(nèi)任意一點(diǎn)加速度動(dòng)力響應(yīng)峰值PGA與坡腳O點(diǎn)的動(dòng)力響應(yīng)加速度峰值的比值作為PGA放大系數(shù).圖3給出了坡面和坡體B/2處豎直方向PGA放大系數(shù)隨高度變化的變化規(guī)律，從圖中可以看出，坡體加速度在豎直方向隨高程增加先增大后減小，超過半坡高后基本呈線性增大趨勢(shì)，坡頂位置效應(yīng)最大;在坡腳至1/2坡高區(qū)段因邊坡坡腳潛在受拉剪滑帶的形成，土體剛度降低以及阻尼增大，導(dǎo)致該處坡體加速度響應(yīng)有所降低.

圖3 豎直方向各點(diǎn)PGA放大系數(shù)

圖4 給出了坡頂和坡體H/2高度處水平方向PGA放大系數(shù)變化規(guī)律，沿坡頂水平方向，即3－6JHJ監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從坡體遠(yuǎn)端到坡面，加速度放大系數(shù)基本呈增大趨勢(shì)，到坡面附近增幅略有減小，與震后邊坡剪切應(yīng)變?cè)隽?圖5)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，潛在受拉剪滑帶頂端附近土體單元張拉屈服，后側(cè)土體構(gòu)成新的邊坡坡肩點(diǎn)，對(duì)應(yīng)此處土體加速度響應(yīng)最大.沿坡體水平方向，即2－10JHJ監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從坡體遠(yuǎn)端到坡面，加速度放大系數(shù)先線性增大，接近邊坡潛在受拉剪滑帶時(shí)，土體非線性特性較強(qiáng)，阻尼增大，起到明顯的濾波作用，使得加速度急劇降低，坡面附近加速度增幅則稍微所有增大.由此可見，地震作用下單一均質(zhì)土層邊坡破壞形態(tài)是沿著某一弧形潛在滑動(dòng)面失穩(wěn)，與邊坡靜力失穩(wěn)模式類似，其潛在滑移面表現(xiàn)為下部剪切破壞，附近土體單元加速度響應(yīng)小，而上部為拉裂破壞，土體單元加速度響應(yīng)大.

3 結(jié)論

(1)土體濾波與低頻放大作用致使邊坡加速度響應(yīng)表現(xiàn)為垂直放大現(xiàn)象;波界面反射與疊加特性致使邊坡加速度響應(yīng)表現(xiàn)為臨空面放大現(xiàn)象.

(2)豎直向，PGA放大系數(shù)隨坡高增加呈現(xiàn)“增加－衰減－增加”三段形態(tài)，并在坡肩附近達(dá)到最大值.PGA放大系數(shù)衰減現(xiàn)象主要由于坡腳潛在受拉剪滑帶的形成所致.

(3)地震邊坡潛在滑移面表現(xiàn)為下部剪切破壞，附近土體單元加速度響應(yīng)小，而上部為拉裂破壞，土體單元加速度響應(yīng)大.

圖4 水平方向各點(diǎn)PGA放大系數(shù)

圖5 震后邊坡剪應(yīng)變?cè)隽?/p>

［1］黃潤(rùn)秋.汶川8.0級(jí)地震觸發(fā)崩滑災(zāi)害機(jī)制及其地質(zhì)力學(xué)模式［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(6):1239－1249.

［2］許強(qiáng)，黃潤(rùn)秋.5.12汶川大地震誘發(fā)大型崩滑災(zāi)害動(dòng)力特征初探［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2008，16(6):721 －729.

［3］鄭穎人，葉海林，黃潤(rùn)秋.地震邊坡破壞機(jī)制及其破裂面的分析探討［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(8):1714 －1723.

［4］言志信，蔡漢成，王群敏，等.巖土體在地震作用下的破壞研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010，35(10):1621 －1626.

［5］徐光興，姚令侃，李朝紅，等.邊坡地震動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律及地震動(dòng)參數(shù)影響研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30(6):918－923.

［6］Itasca Consulting Group Inc.FLAC －2D(Version 6.0)Users Manual［R］.USA:Itasca Consulting Group Inc.，2008.

(責(zé)任編校:晴川)

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A

1008－4681(2011)05－0015－02

2011－08－12

劉華(1979－)，男，湖南益陽(yáng)人，湖南建工集團(tuán)總公司工程師，碩士.研究方向∶建筑施工管理;段建(1979－)，男，湖南益陽(yáng)人，蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院講師，博士.研究方向∶巖土錨固及支擋工程.