動力荷載作用下土質邊坡加速度響應規律分析*

劉 華，段 建

(1.湖南建工集團總公司，湖南 長沙 410011;2.蘭州大學土木工程與力學學院，甘肅 蘭州 730000)

動力荷載作用下土質邊坡加速度響應規律分析*

劉 華1，段 建2

(1.湖南建工集團總公司，湖南 長沙 410011;2.蘭州大學土木工程與力學學院，甘肅 蘭州 730000)

應用FLAC數值模擬技術對土質邊坡動力加速度響應規律進行了分析.研究發現:土體濾波與低頻放大作用致使邊坡加速度響應表現為垂直放大現象;波界面反射與疊加特性致使邊坡加速度響應表現為臨空面放大現象;PGA放大系數隨坡高增加呈現“增加－衰減－增加”三段形態，其衰減現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小，而上部土體單元加速度響應大.

土質邊坡;動力響應;加速度

汶川地震災后邊坡地質災害調查發現，一些傳統的工程地質觀點與實際情況有所不符，因此，一些觀點我們不得不重新審視.相繼，地震荷載作用下邊坡動力響應規律、巖土體破壞機制及動力穩定性評價等問題已成為巖土工程界和地震工程界的一個熱門話題，引起了廣大巖土、地質工作者的高度重視.邊坡動力響應規律是一典型的多學科交叉難題，其不僅涉及地震工程學領域，還涵蓋巖土地質工程學、巖土體損傷力學、結構動力學等學科知識，目前尚處探索研究階段，因其問題錯綜復雜，難度大，研究很不成熟［1－5］.本文通過有關算例利用FLAC［6］數值模擬技術對土質邊坡動力加速度響應規律進行嘗試性探討.

1 算例基本資料

均質土坡坡高40m，坡角為450，計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，坡頂到模型邊界距離取坡高的2倍，計算模型總高為坡高2倍.邊坡土體物理力學參數如表1所示，計算時土體材料采用理想彈塑性本構模型，屈服準則則采用Mohr－Coulomb強度準則.為了避免數值模擬動力計算過程中模型邊界波反射問題，模型底部采用靜態邊界條件，四周則采用自由場邊界，阻尼選用局部阻尼，阻尼系數取0.157，先進行靜力平衡計算，后進行動力計算分析.計算模型及單元網格劃分如圖1所示.

表1 土體物理力學參數

地震波選用1995年日本kobe地震水平向加速度時程曲線，該地震震級為7.2級，截取其中具有代表性的25s長的地震波，加速度峰值為0.83m/s2，時間步長為0.02s.假定該邊坡所處地區地震基本烈度為Ⅷ度，計算中輸入的地震波峰值加速度應為2m/s2，因此，應對kobe按比例進行縮放，即加速度放大2.41倍，并進行地震波基線校正和濾波處理，獲得地震波加速度時程曲線如圖2所示.

為了驗證計算模型動力邊界條件的合理性，計算模型在底面邊界和左右側邊界均設置了監測點，其加速度、速度時程反應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.我們在跟蹤模型底部附近的加速度時程，與輸入的加速度時程曲線相符合，這說明，地震波的輸入是正確的.

圖1 計算模型剖面(單位∶m)

圖2 調整修正后的地震波

2 加速度響應分析

為了描述地震作用下邊坡加速度響應規律，我們定義坡體內任意一點加速度動力響應峰值PGA與坡腳O點的動力響應加速度峰值的比值作為PGA放大系數.圖3給出了坡面和坡體B/2處豎直方向PGA放大系數隨高度變化的變化規律，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，坡頂位置效應最大;在坡腳至1/2坡高區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，導致該處坡體加速度響應有所降低.

圖3 豎直方向各點PGA放大系數

圖4 給出了坡頂和坡體H/2高度處水平方向PGA放大系數變化規律，沿坡頂水平方向，即3－6JHJ監測點，從坡體遠端到坡面，加速度放大系數基本呈增大趨勢，到坡面附近增幅略有減小，與震后邊坡剪切應變增量(圖5)對比分析發現，潛在受拉剪滑帶頂端附近土體單元張拉屈服，后側土體構成新的邊坡坡肩點，對應此處土體加速度響應最大.沿坡體水平方向，即2－10JHJ監測點，從坡體遠端到坡面，加速度放大系數先線性增大，接近邊坡潛在受拉剪滑帶時，土體非線性特性較強，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土層邊坡破壞形態是沿著某一弧形潛在滑動面失穩，與邊坡靜力失穩模式類似，其潛在滑移面表現為下部剪切破壞，附近土體單元加速度響應小，而上部為拉裂破壞，土體單元加速度響應大.

3 結論

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

(2)豎直向，PGA放大系數隨坡高增加呈現“增加－衰減－增加”三段形態，并在坡肩附近達到最大值.PGA放大系數衰減現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為下部剪切破壞，附近土體單元加速度響應小，而上部為拉裂破壞，土體單元加速度響應大.

圖4 水平方向各點PGA放大系數

圖5 震后邊坡剪應變增量

［1］黃潤秋.汶川8.0級地震觸發崩滑災害機制及其地質力學模式［J］.巖石力學與工程學報，2009，28(6):1239－1249.

［2］許強，黃潤秋.5.12汶川大地震誘發大型崩滑災害動力特征初探［J］.工程地質學報，2008，16(6):721 －729.

［3］鄭穎人，葉海林，黃潤秋.地震邊坡破壞機制及其破裂面的分析探討［J］.巖石力學與工程學報，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］.煤炭學報，2010，35(10):1621 －1626.

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

(責任編校:晴川)

P642.2

A

1008－4681(2011)05－0015－02

2011－08－12

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