土質(zhì)邊坡剖面上動力響應異常點與潛在滑動面位置的關系研究.docx

1、第31卷第1期2009年3月西北地震學報NORTHWESTERNSEISMOLOGICALJOURNALVol.31No.1March,2009土質(zhì)邊坡剖面上動力響應異常點與潛在滑動面位置的關系研究任自銘，馮仲林，殷世林(黃河勘測規(guī)劃設計有限公司，河南鄭洲450003)摘要：通過數(shù)值分析對土質(zhì)邊坡動力響應規(guī)律進行研究，發(fā)現(xiàn)在土質(zhì)邊坡割面上動力響應參數(shù)分布異常的地方跟通常認為的潞在滑動面有很好的對應關系，說明在坡體內(nèi)發(fā)生較大剪應變處土體的動力特性可能已經(jīng)發(fā)生改變，從而使動力傳遞異常。關鍵詞：動力響應；剪應變集中區(qū)；動力特性；土質(zhì)邊坡；滑動面中圖分類號：P642.22文獻標識碼：A文章編號：100

2、00844(2009)01-002105RelationshipbetweentheAnomalousPointsofDynamicResponseandtheLocationofPotentialSlidingSurfaceonSectionofSoilSlopeRENZi-ming,FengZhong-lin,YinShi-Iin(YellowRiverEngineeringConsultingCo.Zhengzhou450003,China)Abstract：Usingnumericalanalysisonthelawofdynamicresponseofsoilslope,itisfo

3、undthatthereisagoodcorrespondingrelationshipbetweentheanomalouspointsofdynamicresponseandthelocationofpotentialslidingsurfaceonsoil-slopesection.Itshowsthatthedynamicproperlyofsoilwherehighshearstrainhashappenedmayhavechangedintheslope,andcausedthedynamictransmissionabnormal.Keywords:Dynamicresponse

4、s；Concentratedregionofshearstrain；Dynamicproperty；Soilslope;Slidingsurface收稿日期：2008-04-18作者簡介：任自留男（漢族.河南禹州人，碩士，助工.主要從耶路橋設計.0引言邊坡動力問題歷來是巖土工程和地震I:程中關心的重點問題之一，邊坡動力響應研究是邊坡動力問題研究的重要方面。地震時地面運動方向是任意的，所以邊坡所承受的地震動荷載的作用方向也是任意的。但因為邊坡失穩(wěn)是向臨空面的滑移、垮塌，所以水平向外方向的地震作用是斜坡破壞的主要原因。地震作用的表征因子很多，例如位移、速度、加速度等。根據(jù)祁生文等的研究，在地震動作

5、用下邊坡對地震作用在豎直向和水平向均存在放大作用，而旦它們?nèi)叩姆逯迪鄬ζ履_的放大系數(shù)在邊坡剖面上的分布規(guī)律是有一定差異的。但是因為加速度值是一個過程值，可根據(jù)它計算出動應力、動應變等，所以通常被認為是地震響應的控制指標。本文通過FLAC3D采用時程分析法對不同坡高和坡度的邊坡在不同烈度的地震作用下的動力響應做了大量的數(shù)值模擬，把邊坡剖面上各監(jiān)測點在水平向坡外方向上的加速度峰值（PGA）作為主要控制參數(shù)，并做對比分析，發(fā)現(xiàn)邊坡剖面上PGA分布異常點與潛在滑動面位置存在很好的對應關系1FLAC3D動力計算方法1.1邊界條件的設置FLAC3D中求解動力問題的邊界條件設置有遠置人工邊界（截斷邊界）和

6、粘滯邊界兩種。如果采用截斷邊界，為使其對計算結果產(chǎn)生的影響變小，就要求把模型的邊界取得足夠遠，把模型的范圍取得足夠大，從而使邊界反射的影響盡可能的小。由于邊坡是自然地質(zhì)體的一部分，其模型究竟取多大才能消除邊界的影響，目前還不清楚，所以采用遠置人工邊界條件的辦法不可取。粘滯邊界通過在邊界的法線方向和水平方向上設置獨立的粘壺得以實現(xiàn)，以便吸收來自模型內(nèi)部的入射波。這種方法易于在時域進行操作，在有限元和有限差分中的有效性已經(jīng)被證明。在FLAC3D中可用粘滯邊界有兩種，即安靜邊界(QuietBoundaries)和自由場邊界(Free-fieldBoundaries)0安靜邊界完全吸收向外傳遞的波，而

7、自由場邊界既可保持邊界不反射波的屬性，并且對向外傳遞的波適當?shù)匚铡Ｖ骶W(wǎng)格的側(cè)邊界與自由場邊界通過黏性緩沖器結合起來，來自自由場網(wǎng)格的不平衡力施加到主網(wǎng)格邊界上，這樣，平面波向上傳遞時就不會在邊界失真一般情況下，邊坡模型底面設置安靜邊界，模擬基礎下部無限深的區(qū)域；周邊采用自由場邊界，與底面的安靜邊界結合使邊坡基礎部分置于一個半空間無限的自然地質(zhì)體內(nèi)，以更接近實際。1.2土體力學模型和屈服準則在動荷載作用下土的變形包括彈性和塑性變形兩部分。動荷載較小時主要為彈性變形，動荷載增大時塑性變形逐漸產(chǎn)生和發(fā)展。數(shù)值模擬中，采用理想彈塑性本構模型，屈服準則采用Mohr-Coulomb強度準則，屈服函數(shù)如下

8、：代=。Np+2c-/N7(1)fx=6_a'(2)式中外、b3分別為最大、最小主應力；甲為摩擦角；c為粘聚力；/為土體抗拉強度；N=?+血(3)當土體內(nèi)某一點應力滿足/s<0時，發(fā)生射切破壞；當滿足九>0時，發(fā)生拉伸破壞。1.3動荷載的施加動力模擬采用時程分析法。由于模型底面設置安靜邊界，所以輸入地震動荷載只能為應力時程。一般研究資料會給定加速度波，可通過時域積分得到速度時程，再通過下式轉(zhuǎn)換得到應力時程由模型底面輸入：(bs=2(，s)sJ(4)on2(cCP)vn其中:p為材料密度；Cp為P波波速；Cs為S波波速；*為質(zhì)點法向速度；u為質(zhì)點切向速度；為切向應力；g為法向

9、應力。2FLAC3D計算方法的振動臺試驗驗證2.1試驗設備與模型本次試驗的激振設備是大型電液式地震模擬振動臺，臺面尺寸為4mX2m,承重達25to激振頻率為015Hz；最大輸出加速度1.2g；傳感器選用CSLAS式加速度計；采用自動采集設備同步記錄試驗數(shù)據(jù)。本試驗模型箱內(nèi)部凈尺寸4mXl.5mX2m(長X寬X高)，利用高強合金鋼制剪切槽組裝而成。內(nèi)套特制橡膠膜套筒，減小振動波的反射。兼顧振動臺負載能力及模型箱尺寸，本實驗幾何尺寸相似比取為10,模型中央橫截面具體尺寸及坡面加速度計(圖中填充的點)布置如圖1示，自下而上編號為1、2、3、4、5、6,臺面加速度計編號為0,加速度計均水平放置。圖1試

10、驗模型中截面尺寸及測點布置圖Fig.1Thesectionoftestmodelanddistributionofsensors.2.2試驗結果統(tǒng)計由相似率計算結果知,模型在以10*5.62為相似比壓縮的加速度波的激勵下的動力響應與原型在原波激勵下的動力響應一致。實驗荷載采用根據(jù)場地地震反應譜人工合成的加速度波壓縮5.62倍生成的壓縮波，峰值分別為0.065g、0.253g和0.471g,壓縮時幅值不變。試驗過程中動態(tài)采集各測點響應時程，統(tǒng)計施加荷載加速度峰值為0.065g和0.253g時各測點的響應峰值。2.3數(shù)值模擬計算結果把圖1中尺寸均放大10倍，材料參數(shù)根據(jù)試驗數(shù)據(jù)及相似率要求用FLA

11、C3D建模計算。底面設安靜邊界，四周設自由場邊界，模型如圖2。用峰值為0.065g和0.253g的原波積分得到圖2數(shù)值模擬邊坡模型示意圖Fig.2Dynamicnumericalsimulationmodeloftheslope.速度波，再通過式(4)式分別轉(zhuǎn)換得到應力時程從模型底面輸入，統(tǒng)計各測點水平向加速度時程峰值。把實驗數(shù)據(jù)和計算結果匯總?cè)鐖D3示，其中數(shù)值計算中的相對高程均換為對應模型試驗中的監(jiān)測點相對高程。由圖可見二者對應良好。所以用FLAC3D做土質(zhì)邊坡的動力響應分析是合理并且足夠精確的。2.5r愧佞安水平PGA/m-<0.065g計棄一0.065g試臉0.253g計算A0.2

12、538試驗圖3FLAC'd模擬與振動臺試驗的坡面PGAFig.3PGAalongslopesurfacebyFLAC3Dandthetest.3計算模型的建立3.1材料參數(shù)和地震動荷裁的選取選用規(guī)范中材料實驗數(shù)據(jù)的一種：/=19kN/m3jc=21kPa;4>=21°24模最取值為：K=6.66E7,G=3.077E7o選取美國1940ELCentro地震波調(diào)整加速度峰值至0.1g,0.2g，分別對應烈度為度地震強度的加速度時程,然后時域積分得到速度時程，再通過式(4)轉(zhuǎn)換得到應力時程由模型底面輸入。3.2邊坡剖面設計根據(jù)文獻2的研究，粘滯邊界設置的遠近對對邊坡動力響應

13、的結果影響很小，況且本文的研究只需得出分布規(guī)律，而非具體的響應數(shù)值，所以邊界無須設置過遠而增加計算負擔。本文模型的邊界范圍取為：基礎厚度取坡高的一倍，在邊坡兩側(cè)也各加寬坡高的一倍。對于土質(zhì)順直邊坡來說，由于材料參數(shù)已經(jīng)給定，所以在坡高一定時，邊坡能否穩(wěn)定就僅僅取決于坡度。例如對于30m高邊坡來說，當坡度達到40°時，在靜力作用下已經(jīng)出現(xiàn)如圖4所示的貫通的剪應變集中帶，即通常認為的潛在滑動面，對此再進行動力分析已沒有意義。圖430m-40°邊坡在重力作用下剪應變增量云圖Fig.4Shear-strainincrementcontourofslopundergravity(30

14、m-40°)對于20m高的邊坡，當坡度達到45°時也是同樣的情況。所以設計邊坡高度和坡度如表1。«1設計邊坡坡形坡ft/m2030坡度/.153040202530353.3監(jiān)測點的布置根據(jù)大量計算結果，潛在滑動面均位于距坡面一倍坡高范圍以內(nèi)。所以本文在邊坡的剖面上距臨空面一倍坡高范圍內(nèi)劃分5mX5m的格子，把網(wǎng)格點及水平網(wǎng)格線與坡面線的交點設置為監(jiān)測點，以20m-40°和30m-35°邊坡為例示意如圖5(a)、(b).(b)30m-35。圖5邊坡割面及測點布置圖Fig.5Middlesectionofthenumericalmodelanddi

15、stributionofmonitoringpoints.4計算結果分析4.1水平方向PGA統(tǒng)計分析在動力計算過程中，跟蹤這些點的加速度響應，然后統(tǒng)計各響應時程的峰值。限于篇幅，本文僅以曲線圖統(tǒng)計顯示20m-1520m-4030m-20°和30m-35°四個模型在施加地震烈度相當于切度時的各監(jiān)測點的響應加速度峰值（圖6（a、（b）、（c）、（d）°由圖可以清晰地看出：在20m-15°和30m-20°兩個模型中，隨著高程的增加監(jiān)測點的PGA是逐漸增大的；位于同一相對高程的監(jiān)測點自坡體內(nèi)至臨空面呈現(xiàn)平緩增加的趨勢，這說明坡體內(nèi)的動力響應的確存在豎直

16、和水平方向的放大作用，再次驗證r前人的研究成果。但是在20m-40°和30m-35°兩個模型中，某些點出現(xiàn)了突然增加的異常現(xiàn)象，并且突變點右邊，即同一高程內(nèi)更接近臨空面的點的PGA的分布也變得雜亂無章。4.2剪應變增量云圖確定邊坡的變形破壞范圍是進行穩(wěn)定性評價的和防治工程設計的關鍵。李國琛等通過研究認為：就承受型性大變形的材料而言,原來平滑分布的變形模式被一種急劇不連續(xù)的位移梯度所取代，其特征是大量的剪切變形集中在相對狹窄的帶狀區(qū)域內(nèi)，邊界相對而言近乎平行。因而，對邊坡而言，可以通過尋找剪應變集中帶的途徑來尋找可能的失穩(wěn)范圍和部位。土體剪切帶的形成與土體逐漸破損理論是當今國

17、際力學界和巖土工程界共同關注的課題'。室內(nèi)試驗土樣的剪切破壞、現(xiàn)場路基和地基的滑動破壞以及山體運動的褶皺斷層等均可視作局部化剪切帶形成的現(xiàn)象。這種局部變形一旦發(fā)生，變形將會相對集中在局部化變形的區(qū)域內(nèi)，而區(qū)域外的變形相當于卸載后的剛體運動。已有研究表明：在剪切破壞面上的強度是逐漸發(fā)揮的，即在剪切帶上土的強度不是同時發(fā)揮到最大值，土的逐漸性強度特性是剪切帶強度發(fā)揮的反映。非均勻變形的發(fā)展也使得整體上表現(xiàn)土的軟化性狀是與刊切帶產(chǎn)生的結構破壞直接相關。因此，巖土體的失穩(wěn)（特別是滑動失穩(wěn)），都是沿剪應變最大的部位發(fā)生。大量實例分析結果也證明了這一點。查看各坡形在各種荷載條件下模擬結果的終態(tài)殘余

18、為應變增責云圖發(fā)現(xiàn)，在同樣的坡高和荷載強度下，隨著坡度的增大，殘余前應變集中區(qū)有逐漸集中變窄、貫通的趨勢，如圖7（a）、（b）、（c）、（d）依次為在地震荷載相當于H度時20m-1520m-4030m-20°和30m-35°模型的殘余剪應變云圖，均反映了這一趨勢。這也說明坡度越小，最大剪應變減小，集（d）30m-35°圖6邊坡刮面上各監(jiān)測點水平PGA分布曲線（各條曲線代表相對坡腳的不同高程）Fig.6ThePGAvaluecurvesatmonitoringpointsinhorizontaldirectionalongslopesurface.魚1期中區(qū)收縮，對

19、邊坡的穩(wěn)定性影響減小，邊坡也就越趨于穩(wěn)定。4.3對比分析把圖7(b)和圖7(d)的終態(tài)此應變增量集中帶，即潛在滑動面勾出.與布置的監(jiān)測點位置對比，結果如圖5(a).(b)所示，其中填充的監(jiān)測點即為上述的PGA分布突變點?？梢娡蛔凕c與帶狀的殘余剪應變集中區(qū)具有很好的對應關系。用同樣的方法對比，發(fā)現(xiàn)在相當于度地震強度的荷載作用下坡度為30°的20m和30m邊坡均存在同樣的對應關系，說明這種對應不是偶然的。(d)30m-35°圖7模型終態(tài)芽應變堵量云圖Fig.7Shear-strainincrementcontourintheterminalstate.255結束語要搞清地震作用

20、下邊坡的失穩(wěn)機理就必須對其響應規(guī)律有足夠的認識。由以上計算分析可知，當土質(zhì)邊坡內(nèi)出現(xiàn)集中的殘余剪應變區(qū)，也即邊坡出現(xiàn)潛在滑動面而可能失穩(wěn)時，此處土體的動力特性已經(jīng)改變，甚至已經(jīng)滑動或者開裂，以致于坡體內(nèi)的動力響應參數(shù)的傳遞將在此處不再服從之前的規(guī)律而導致出現(xiàn)分布異常；反過來說，當監(jiān)測到坡體內(nèi)某處的動力傳遞或者響應參數(shù)分布異常時，就說明該處已經(jīng)發(fā)生了較大的乾應變，當異常點連線貫通時，邊坡將沿此連線失穩(wěn)。本文的研究既為邊坡的動力響應出現(xiàn)異常找到了原因，又為地震作用下邊坡失穩(wěn)時機及失穩(wěn)范圍提供了判據(jù)。參考文獻CU張倬元，王士天，王蘭生.編著.工程地質(zhì)分析原理M.北京：地質(zhì)出版社.1993,223-224.2 QiShengw