強震作用下坡頂建筑荷載對邊坡穩定性影響研究

李旭東, 王 平,2,3, 王麗麗,2,3, 王會娟,2, 常文斌, 錢紫玲

(1. 中國地震局 蘭州地震研究所, 甘肅 蘭州 730000;2. 中國地震局(甘肅省)黃土地震工程重點實驗室, 甘肅 蘭州 730000;3. 西安理工大學 巖土工程研究所, 陜西 西安 710048)

0 引言

隨著國家“一帶一路”倡議的逐步實施,我國西北地區經濟得到了高速發展。西部地區發展所需的建筑場地正快速向外擴張,經濟發展帶動的一系列產業對土地資源的需求量日益增加,致使建設用地的地形復雜度與日俱增[1]。我國人均土地占有面積僅為0.005 4 km2,勉強達到世界平均水平的三分之一[2]。綜上所述,我國土地資源匱乏,對土地資源的合理利用刻不容緩。

黃土高原作為西北地區開發的主要振興區域,地形以丘陵、山地為主,其中自然條件較差的丘陵區域占黃土高原總面積的56.79%,且各丘陵區域之間存在著較大的地形、地貌差異[3]。當下,黃土高原總人口數量早已破億,其中農業人口占總人口比重的80%以上,黃土地區土地資源不足限制區域經濟發展這一矛盾也日益突出。針對這一現象,當地人民大多選擇對現有黃土地形進行人工改造,溝壑區的挖土、填土和梁峁區的削坡造地等技術手段都已成為緩解當地土地供需矛盾的重要手段,大面積的黃土邊坡工程也隨之而來。

黃土區處在我國的第二、三階梯交接帶上,該區域板塊構造活躍,是我國地震多發區域之一。當地震災害發生時,地震作用伴隨黃土層的放大效應、高程濾波效應等外因加劇了臨坡建筑的易損性,影響坡體建筑的穩定性,威脅人民的生命財產安全。尤其在強震作用下,由于滑坡所具有的同時性和滯后性等特點以及黃土自身的放大效應,黃土地區因滑坡造成的地質災害尤為突出,無數房屋建筑被破壞、掩埋,大量人口受傷甚至死亡,對人民的生命財產安全造成巨大威脅。例如,通過對受災點的實地考察及相關報道資料可知:1920年12月16日發生于寧夏海原的8.5級地震造成約25萬人死亡,其中約10萬人為地震滑坡所致;1927年甘肅古浪8級地震造成堰塞湖,并于6月18日潰壩,沖沒村寨133座、學校11所,淹死790余人;2013年7月22日甘肅岷縣、漳縣交界處發生6.6級地震,造成95人死亡、2 000余人受傷,直接經濟損失175.88億元[4-8]。其中滑坡災害現場照片如圖1所示。

圖1 滑坡災害現場照片Fig.1 Site photos of landslide disasters

除地震作用外,黃土自身的特殊性也是造成黃土區易發生地震滑坡的主要因素之一。黃土是指在第四紀時期受風力搬運的黃色粉土沉積物,在我國陜西、山西、甘肅、河南等黃河中游地區廣泛發育。黃土顆粒組分主要以粉粒為主,具有節理和架空空隙,土體顆粒由可溶性鹽晶進行膠結,表現出較明顯的水敏性和動力易損性[9]。

盡管臨坡建筑有以上諸多安全隱患,但受限于當地居民對房屋選址的認識不足或經濟條件等諸多原因,筆者在此前的野外實地調研中發現許多存在安全隱患的臨坡建筑仍在使用(圖2)。圖2(a)為甘肅省某村莊在遭遇泥石流沖擊后的重建房屋。此次村莊的重建工程已加強了村內排洪溝的建設,用以減少因降雨引發的泥石流、滑坡等自然災害發生的可能性,但所標注區建筑整體距離坡體過近,仍存在極端條件下坡體失穩被沖擊或掩埋的風險,需引起重視。圖2(b)為山西省某滑坡受災點周邊建筑。在圖中標注區附近已發生過一起因坡體失穩導致的坡頂建筑滑落垮塌災害,但受限于當地自然、經濟等多方面因素,該標注處建筑仍未遷移,且未對事故邊坡進行人工處理,致使該區域存在巨大的安全隱患。

基于以上情況,本文在振動臺模型試驗的基礎上使用有限元分析軟件建立一個黃土地區常見的簡化邊坡模型,并在其坡頂部分區域施加均布載荷以模擬實際建筑對邊坡的作用;同時對其底部施加地震波荷載,模擬地震作用對邊坡的影響;最后綜合模型試驗及數值模擬結果對坡體進行穩定性分析及潛在危險區的判定。研究成果可用于指導黃土地區建筑邊坡的設計。

1 振動臺試驗

1.1 模型設計

振動臺試驗模型以蘭州市區某邊坡為原型,選用的幾何相似比為50∶1,模型尺寸為280 cm(長)×100 cm(寬)×110 cm(高),坡度為70°,在坡頂布設加速度傳感器A1～A6,如圖3所示[10-13]。

圖3 試驗模型主視圖(單位:cm)Fig.3 Main view of the test model (Unit:cm)

模型邊界采用厚度為3 cm的黑色聚苯乙烯泡沫海綿模擬自由場邊界,用以減少地震波在模型邊界處折射與反射造成的干涉。

本次試驗所使用設備為中國地震局黃土地震工程重點實驗室大型電機伺服振動臺。

1.2 試驗加載

試驗選用汶川地震陜西湯峪波進行加載,其峰值加速度為3.76 m/s2。振動臺振動方向與模型長度方向一致。地震波加載速度時程曲線和傅里葉譜曲線如圖4所示[10-11]。

圖4 加速度時程曲線與傅里葉譜Fig.4 Time-history curve of seismic acceleration and Fourier spectrum

1.3 試驗結果及分析

試驗結果如圖5所示。由圖5可知,隨著地震波的逐級加載,模型表面出現多處裂隙,以建筑模型與邊坡的交界處最為明顯。坡面上靠近坡肩處的土體經歷了從表層土脫落到坡體產生裂縫,再到微小裂縫相互連接最終形成長裂隙的過程,如圖5中標注點①所示。此外,坡表中下部表層土體在初期產生裂隙后小部分脫落。隨著震級的增加,坡體靠近坡腳的位置受重力及地震動等作用最終表現出小范圍的土體滑落現象,如圖5中標注點②所示。由此可知,此模型的坡肩及坡腳為應力集中部位,易受外力影響發生局部破壞,影響邊坡的穩定性。

圖5 模型試驗宏觀破壞現象Fig.5 Macroscopic damage phenomena for the tested model

通過對試驗結果的分析可知,當荷載施加處距離坡頂較近時,荷載對邊坡穩定性的影響較大,具體表現為靠近坡肩的部位可能產生裂隙和垮塌,威脅臨坡建筑的安全[11]。因此,需要進一步采用數值模擬的方法分析不同臨坡距離坡頂建筑荷載下邊坡的穩定性與破壞特點。

2 數值模擬

2.1 有限元分析計算模型的建立

使用有限元軟件對邊坡進行數值模擬時,采用有限元的一般假設,即對模型進行簡化假設。 具體為:假設模型土體為各向同性材料,選用摩爾-庫倫本構模型對土體單元進行模擬,不考慮降雨、地下水、土體裂隙及其他人為因素的影響[14-17]。模型土體的物理力學參數如表1所列。

表1 模型土體物理力學參數

模型尺寸大小及邊界條件參考實際存在的邊坡進行設計。最終建立的有限元模型長120 m,高60 m,走向方向10 m,坡角為45°。根據野外調查情況,分別在距離坡頂d=5 m、10 m、15 m、20 m處施加均布荷載以模擬臨坡建筑對邊坡的作用,荷載大小參考一實際6層建筑的基底壓力,取120 kN/m2。在臨空面上設置A1～A5共5個加速度監測點,并對其底部輸入調整后峰值加速度為3.49 m/s2的EL-Centro波來模擬8級地震作用。邊坡計算模型如圖6所示[18]。

圖6 邊坡模型圖(單位:m)Fig.6 Slope model (Unit:m)

2.2 數值模擬結果分析

通過三維有限元模型對地震作用下存在坡頂建筑荷載的邊坡進行模擬。對坡頂建筑距離坡肩5 m、10 m、15 m、20 m這4種工況分別進行模擬,提取各狀態下監測點的加速度變化情況、總位移云圖、水平向位移云圖及最大塑性區云圖,以分析坡頂建筑臨坡距離對邊坡穩定性的影響。

圖7為無建筑荷載的邊坡和距離坡肩10 m處存在建筑荷載的邊坡總位移和最大剪應變對比圖。由圖7可知,當坡頂無建筑荷載時,邊坡主要受其自身重力的影響,最大位移量發生在坡肩處,沿坡表向內逐漸減小;邊坡內部存在多條近平行潛在破壞面,滑移面自邊坡中部向坡角延伸。當坡頂施加建筑荷載時,邊坡的剪應變變化區主要集中在受力區域,且潛在破壞面自邊坡中部向頂部荷載施加處延伸。

圖7 有、無荷載下邊坡總位移和最大剪應變對比Fig.7 Comparison of total slope displacement and maximum shear strain with and without loading

圖8為上述4種工況下邊坡表面PGA放大系數變化趨勢。從圖中可以看出在不同臨坡距離的工況下,坡表監測點的PGA放大系數均隨高程的增加呈先增大后減小的趨勢,初步分析是由于黃土的高程放大效應和高程濾波效應共同所致。其中臨坡距5 m的曲線在A4點發生突變,說明坡體易在此處產生破壞,振動臺試驗的坡面破壞情況也較好地反映了這一點。

圖8 不同工況下坡表PGA放大系數變化趨勢Fig.8 Change trend of PGA amplification factor of slope surface under different working conditions

不同臨坡距下邊坡的總位移云圖如圖9所示。從圖9(a)可以看出,在臨坡距離為5 m的工況下,僅在施加均布荷載的坡肩附近產生較大位移,且靠近坡面側的位移大于遠離坡面側;從圖9(b)可以看出,在臨坡距離為10 m的工況下,發生位移的范圍已從原來的坡肩部位發展為幾乎覆蓋整個坡面,此時位移的最大值下降至臨坡距離5 m工況下的十分之一左右;從圖9(c)可以看出,在臨坡距離為15 m的工況下,產生位移的范圍在臨坡距離10 m的基礎上擴大了近一倍,但邊坡中部的位移量基本保持不變;從圖9(d)可以看出,坡頂荷載施加區和坡肩的中間部位出現了明顯的位移下降,說明坡頂荷載臨坡距離已逐漸超出其對邊坡穩定性的影響半徑,此時邊坡臨空面的穩定性主要受坡體自身結構及其性質所決定。

圖9 不同距離時位移云圖Fig.9 Displacement nephogram at different distances

不同臨坡距下邊坡的水平向位移情況如圖10所示。從圖10(a)可以看出,在臨坡距離為5 m的工況下,邊坡水平負方向的位移值主要受重力的作用集中在坡肩處,且沿坡向逐漸減小;從圖10(b)可以看出,在臨坡距離為10 m的工況下,邊坡產生了巨大的位移影響范圍,潛在滑動面的面積約為整個模型的三分之一;從圖10(c)可以看出,在臨坡距離為15 m的工況下,邊坡產生水平位移的范圍在坡底面大幅度減少;從圖10(d)可以看出,在臨坡距離為20 m的工況下,頂部荷載的臨坡距離對邊坡的穩定性幾乎無影響,驗證了基于振動臺試驗所提出的臨坡安全距離應大于20 m這一建議的合理性[7]。

圖10 水平向位移云圖Fig.10 Horizontal displacement nephogram

從不同臨坡距離下坡頂水平位移圖(圖11)可明顯看出,隨著臨坡距離的增加坡頂的水平向位移峰值依次遞減。臨坡距離為20 m時水平位移峰值最小,較臨坡距15 m時下降明顯,約為該工況下水平位移峰值的60%。因此,臨坡距為20 m時邊坡穩定性最佳。

圖11 不同臨坡距離下坡頂水平位移圖Fig.11 Horizontal displacement diagram of the slope top under different distances to the slope

圖12為不同臨坡距離下邊坡最大剪應變云圖。由圖12(a)可以看出,在臨坡距離為5 m的工況下,坡肩處在重力和地震作用下存在貫通的滑動面,嚴重影響邊坡的安全性;從圖12(b)可以看出,在臨坡距離為10 m的工況下,邊坡的貫通面已消失,但坡體內部仍存在剪應變潛在滑動面;從圖12(c)可以看出,在臨坡距離為15 m的工況下,坡體內部的剪應變潛在滑動面已與坡腳相連通,且潛在滑體體積較臨坡距10 m時也有增加,但其剪應變數值僅為該工況下的一半左右;從圖12(d)可以看出,在臨坡距離為20 m的工況下,頂部荷載對邊坡的位移幾乎無影響,此時坡體的穩定性主要受其自身重力影響。

圖12 最大剪應變云圖Fig.12 Maximum shear strainnephogram

3 結論

本文以振動臺模型試驗為基礎,結合有限元軟件數值模擬結果,探討強震作用下坡頂建筑物臨坡安全距離對邊坡穩定性的影響,并得出以下結論:

(1) 黃土邊坡模型存在地震動高程放大效應和高程濾波效應,且在坡肩應力集中處有坡面破壞現象。

(2) 隨著坡頂施加荷載區域臨坡距離的逐漸增大,不穩定滑動面的失穩范圍也隨之擴大;當坡頂荷載的臨坡距離超過其對邊坡穩定性的影響半徑后,邊坡的穩定性逐漸恢復。

(3) 數值模型中坡頂荷載的臨坡距離對邊坡的

穩定性影響存在極值,且通過結果分析可知,極值分布在距離坡頂10～20 m的范圍區間內。

(4) 通過對振動臺模型試驗的綜合分析可知,強震作用下,坡角為 70°、坡高為 70 m 的黃土高陡邊坡坡頂建筑的臨坡安全距離應大于20 m。