豎向張拉裂縫下渣場邊坡地震動力響應分析

楊 森

(西南交通大學，四川成都 610031)

豎向張拉裂縫下渣場邊坡地震動力響應分析

楊 森

(西南交通大學，四川成都 610031)

文章利用MIDAS/GTS數值計算軟件，對龍泉山隧道渣場邊坡的穩定性進行了模擬和分析，并模擬渣場邊坡在豎向張拉裂縫不斷拓展深度的情況下監測點的位移及應力變化情況，同時分析了帶裂縫工作邊坡在汶川地震波的動力作用下邊坡穩定性情況及監測點的位移變化、應力變化情況，結果表明隨著豎向張拉裂縫向下拓展以及地震荷載下邊坡滑移面不斷向坡底延伸，坡腳剪切應力逐漸變大，計算結果也表明對于渣場的邊坡防護及支擋形式在考慮地震荷載情況下需通過渣場表面進行綠化覆蓋，在高等級高邊坡情況下進行錨桿、錨索及擋土墻等進行有效支護。

渣場邊坡； 地震； 動力響應； 豎向張拉裂縫

近年來由于地震活動頻繁，造成的人員傷亡和經濟損失巨大。地震對邊坡穩定性的作用凸顯，也成為近幾年諸多學者、專家研究的熱點。由于四川省所處的特殊地理位置——山多，地形地貌起伏變化大，地質條件復雜，且地震活動頻繁、活動強、頻度高，工程危害性更大。由于地震能夠觸發和加速邊坡的失穩破壞[1-4]，它儼然成為了邊坡失穩的重要影響因素之一，在地震活動活躍的地方所建設的工程項目，地震對工程的影響不可不考慮。隧道工程棄渣具有松散性且土石方量巨大，一旦失穩將造成嚴重的水土流失問題。目前，對渣場的穩定性，特別是渣場在帶豎向張拉裂縫工作的情況下地震荷載情況下國內研究的文獻還很少。

對邊坡在地震作用下的穩定性評價，工程項目上較為普遍的還是采用安全系數作為評價指標。目前安全系數的計算方法主要是擬靜力法、動力時程分析法和動力有限元強度折減法。本文采用動力時程分析法對龍泉山隧道渣場在帶豎向裂縫工作下的地震動力響應分析。

1 龍泉山隧道渣場工程地質條件

1.1 渣場概況

測區以丘陵為主，測區主要位于龍泉山山脈南麓，龍泉山山脈系四川盆地西部成都平原和川中丘陵的地理界線，是岷江與沱江的分水嶺。在四川盆地內部，山脈形成一條高高的、狹長的隆起，其西面是成都平原，東面是川中丘陵。渣場地面高程557～630 m，相對高差20～50 m，自然坡度30°～50°，地形起伏大，山勢險峻，多處懸崖峭壁，沖溝多呈“V”字型，坡面植被發育。臺階坡面角34°，安全平臺寬度5 m，渣場總高度28.3 m，渣場容積為63×104m3(圖1)。

圖1 渣場設計平面

1.2 地形地貌

1.2.1 地層巖性

測區上覆第四系全新統人工填土(Q4ml)、坡殘積(Q4dl+el)、上統蓬萊鎮組(J3p)泥巖夾砂巖。地層巖性分述如下：<1-2>人工填土(Q4ml)雜色，松散狀，潮濕，主要為圓礫及粘性土，局部為砂泥巖風化碎塊回填。<2-3-2>粉質黏土(Q4dl+el)：褐黃色，硬塑狀，含少量砂泥巖質碎石角礫。<7>泥巖夾砂巖(J3p)與下伏(J3s)呈整合接觸。

1.2.2 地質構造及地震烈度

測區位于新華夏系第三沉降帶四川盆地西緣的川西褶皺帶中，主要構造體系為龍泉山褶皺帶，以龍泉山箱狀大背斜為骨干，包括一系列走向北20°～30°東的褶皺、沖斷層等壓性、壓扭性結構面，龍泉山大背斜軸部寬闊平緩，兩翼陡然下降，形成對稱軛軸，延伸不遠復又變平。擬建二號棄渣場西側發育有：馬鞍山斷層。一號、三號棄渣場未見明顯構造痕跡，巖層單斜。一號棄渣場巖層產狀： N35°E/15°SE，節理產狀：①N30°E/90°②節:N21°E/82°SE；二號棄渣場巖層產狀：N33°E/44°SE；三號棄渣場巖層產狀： N38°E/8°SE，節理產狀：①節:N38°E/90°②節: E-W/48°N。

1.2.3 水文地質條件

地下水主要有第四系土層孔隙潛水、基巖裂隙水。①孔隙潛水由于擬建棄渣場范圍內基巖普遍出露，覆蓋層薄，故第四系土層孔隙水貧乏。②基巖(紅層)裂隙水分布于上統蓬萊鎮組(J3p)地層中，為一套紅色泥巖為主夾厚度不穩定的砂巖透鏡體。其中砂巖裂隙層間水兼具風化裂隙水，主要是砂巖裂隙含水，地下水被嚴格限制在含水砂巖層分布的范圍之內，具有多個互不聯系的砂巖裂隙層間水含水巖體，含水性極不均勻；風化帶裂隙水主要接受大氣降水和地面水體的補給，隨地形條件由高處向低處徑流，于地形低洼處匯集和排出地表。

2 基本原理

2.1 強度折減法

土體強度準則廣泛采用Mohr-Coulomb模型，在這種模型下，有限元、有限差分等數值方法參照極限平衡法中穩定系數的定義，其分析邊坡穩定性的思路如下：給原始的強度參數c、φ除以一個常數K，使邊坡達到破壞的臨界狀態，該常數K即為穩定系數。這種方法稱為強度折減法，折減后的強度參數c′、φ′如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

一般而言穩定系數K與邊坡高度、坡率、含水情況、荷載及強度屬性等有關，其值的最終確定需要一系列的試算直到邊坡模型失穩。強度折減法是GTS中的一個內嵌程序，進行邊坡穩定性分析時可以直接選取該方法即可方便的進行邊坡的穩定性分析。

2.2 時程分析法

時程分析法在數學上稱步步積分法,抗震設計中也稱為“動態設計”。由結構基本運動方程輸入地面加速度記錄進行積分求解，以求得整個時間歷程的地震反應的方法。 此法輸入與結構所在場地相應的地震波作為地震作用,由初始狀態開始, 一步一步地逐步積分,直至地震作用終了。是工程的基本運動方程，輸入對應于工程場地的若干條地震加速度記錄或人工加速度時程曲線，通過積分運算求得在地面加速度隨時間變化期間結構的內力和變形狀態隨時間變化的全過程，并以此進行結構構件的截面抗震承載力驗算和變形驗算。

3 計算結果的對比分析

3.1 模型幾何尺寸

本章采用二維數值模擬，在邊坡角度34°，分別進行邊坡頂部1 m處豎向張拉裂縫向下拓展分別為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m下的數值模擬，裂縫通過設置接觸面進行模擬。模型尺寸如下：邊坡高度為60 m，長度為120 m。由于網格尺寸大小對分析精度有一定的影響，在不同巖土體接觸截面適當加密網格，在巖土體和支檔結構接觸的截面，網格亦適當細化。圖2為計算模型示意圖，限于本章篇幅，其他計算模型圖及網格劃分圖不再贅述。

圖2 渣場邊坡網格

3.2 模型材料參數

根據龍泉山隧道渣場的地質勘查資料得到各地層巖體物理力學性質(表1、表2)。用接觸面模擬裂縫。

表1 邊坡巖土體物理力學指標

表2 接觸面參數

3.3 地震荷載

根據GB 18306-2015《中國地震動參數區劃圖》，本區間隧道工程通過地區的抗震設防烈度為Ⅶ度，地震分組為第三組，地震動峰值加速度為0.10g，地震設計特征周期為0.45 s(表3)。

表3 設計基本地震加速度值與抗震設防烈度關系

本文中采用的時程分析法，考慮渣場邊坡在最不利荷載情況下，選取汶川地震波的第10～40 s進行地震荷載的模擬，具體地震波見圖3。

圖3 汶川地震波

3.4 分析計算結果

從表4中得到在自重應力場的情況下，當裂縫擴展深度從1～5 m的過程中渣場邊的穩定性系數都大于1.2，屬于穩定狀態。當裂縫拓展深度至6～7 m時渣場邊坡處于臨界穩定狀態，拓展至8 m時處于不穩定狀態。本文對該渣場邊坡在地震工況下的分析，只考慮在地震荷載作用下對邊坡穩定性的影響，采取對監測點的監控，取各監測點在地震工況下的最大位移及其變化趨勢，分析在地震荷載下裂縫深度對邊坡的穩定性影響(圖4、圖5)。

表4 自然工況下的不同裂縫擴展深度所對應的穩定性系數

圖4 渣場自然工況變形

圖5 渣場地震工況變形

通過圖6和圖7中穩定性結果分析，自然工況下渣場穩定系數具有隨著裂縫深度增加穩定性系數下降的規律，但在地震荷載下，裂縫對邊坡穩定性的影響很小，本文中的地震荷載是在自重位移清零的情況下完成的，可以觀察到對于隨著裂縫深度的拓展，整個渣體的位移及渣體的應力，均變化較小，但對于最不利位置的邊坡滑動點位上的觀測可以得出，隨著裂縫深度的拓展邊坡滑動面更接近邊坡頂部開裂處。

圖6 自然工況下穩定性系數

圖7 地震工況下監測點位移

4 結論

邊坡頂部開裂對邊坡穩定性影響巨大，本文通過強度折減法分析自然工況下豎向張拉裂縫對渣場穩定性的影響，得到了裂縫深度和渣場邊坡穩定性系數的關系，對實際的工程施工及渣場的設計具有指導作用。本文同時對渣場在地震荷載下，根據時程分析法研究裂縫深度對其穩定性影響，通過計算結果得到了隨著裂縫深度的拓展，渣場邊坡的滑動面接近裂縫開裂處。裂縫的發展和分布具有復雜性和無規律性，本文的數值計算是對實際工程中邊坡頂部開裂的假定模擬，但結果顯示渣場邊坡的防治是個系統且復雜的工程，為保證邊坡的穩定性及水土保持，需通過渣場邊坡表面的綠化以及排水盲溝等措施，防范邊坡頂部裂縫的產生。

可可西里成青藏高原首個世界自然遺產地

北京時間7月7日，在波蘭克拉科夫召開的第41屆世界遺產委員會會議上，青?？煽晌骼锷赀z項目獲表決通過，成為青藏高原首個世界自然遺產地。

可可西里位于青藏高原腹地，平均海拔4600米以上，是三江源國家公園長江源園區的重要組成部分，為長江中下游水資源提供保障。這里面積大于1平方公里的湖泊有107個，擁有的野生動物多達230多種。獨特的生態條件和與此相適應的植被類型，為藏羚羊等青藏高原特有哺乳動物提供了完整的棲息地和遷徙通道。

青?？煽晌骼锷赀z項目2014年底正式啟動，覆蓋總面積約600萬公頃。

可可西里獨特的自然景觀和物種多樣性，符合聯合國《保護世界文化和自然遺產公約》規定的條件。在兩年多申遺準備工作中，青海省組織專家克服高寒缺氧開展大量實地調研，并且按照國際慣例編寫材料，并設計了管理計劃和措施。

世界自然保護聯盟技術評估報告給出這樣評價：這片嚴酷的荒野一望無垠，美景令人贊嘆不已，仿佛被凍結在時空中，然而其地貌和生態系統卻在不停地變化……

按照世界自然保護聯盟要求，青海省政府部門將遵守“不在遺產地范圍內為根除小型哺乳動物鼠兔采用毒殺行動”“不強制安置或遷移遺產地緩沖區的傳統牧民”“不在任何時候許可或提倡遺產地內會威脅到動物遷徙路線的圍欄活動”等承諾。

摘自：新華社

楊森(1992～)，男，在讀碩士研究生，研究方向為地下及隧道工程防排水研究。

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[定稿日期]2017-04-26