交通荷載作用下邊坡動力響應數值分析①

蔡漢成,言志信,王群敏,梁曉波

(蘭州大學土木工程與力學學院,甘肅蘭州 730000)

交通荷載作用下邊坡動力響應數值分析①

蔡漢成,言志信,王群敏,梁曉波

(蘭州大學土木工程與力學學院,甘肅蘭州 730000)

利用巖土數值分析軟件FLAC2D6.0對邊坡巖土體在不同交通荷載作用下動力響應做了數值分析。結果表明:在交通荷載作用下,巖土體的振動加速度在震源附近最大,沿坡面向上以及向內水平向逐漸減小;離震源越近衰減越快,隨著距離增大而逐漸變慢,并且交通荷載越大衰減的幅度越大;路面以上邊坡巖土體垂直加速度和水平加速度處于同一量級,垂直加速度大于水平加速度;路面以下加速度比路面以上大一個量級,水平加速度和垂直加速度處于同一量級,并且水平加速度大于垂直加速度。研究結果對于評價交通荷載對邊坡巖土體的影響及邊坡的加固與治理具有一定的理論意義和工程應用價值。

交通荷載;邊坡;動力響應;振動加速度;數值分析

Abstract:Numericalanalysis of the dynamic response for rock-soilmass slope under different traffic loads ismade,using num erical analysis of geo technical softw are FLAC2D6.0.The result indicates that under traffic loads,the vibration acceleration of rock-soilm ass near seismic source is them aximum,upalong slopeorinner slope in horizon tal direction it decreases gradually.Nearseismic source,the vibration attenuation ismore intense,and itgetsmoreweak as distance increases.The heavier the traffic load is the bigger the attenuating range is.Above the road the verticalacceleration and the horizontalacceleration in slope are in sam em agnitude,and the verticalone isbigger than the horizontalone.Them agnitude below the road is bigger than one above the road,the verticalacceleration and the ho rizontalacceleration are in sam em agnitude,and the horizontalone isbigger than the verticalone also.The resu lts have som e theoretical significance and projectapp lication for evaluating the in fluenceacting of traffic loadson rock-soil mass slope and considering how to reinforce and govern the slope under traffic loads.

Keywords:Traffic loads;Slope;Dynamicrespon se;Vibration accelera tion;Numericalanalysis

0 引言

隨著我國國民經濟的迅速發展,大量的公路、高速公路、鐵路等交通設施投入建設,在山區產生了大量的人工邊坡。邊坡長期處于交通荷載的振動環境之中,在交通荷載反復作用下必然加劇巖土體強度的弱化,進而產生疲勞破壞[1]。同時交通荷載長期作用所產生的環境振動的影響也越來越受到人們的關注。然而,現有的研究成果大多都是交通荷載對路基和周圍建筑物影響的研究[2-7],采用數值方法研究邊坡在交通動荷載作用下的響應和穩定性分析的文獻較為少見。

擬靜力法是分析邊坡地震穩定性的常規方法,將地震作用簡化為水平方向或垂直方向的大小不變的慣性力,作用于擬分析的邊坡巖土體。然后根據極限平衡理論將所有作用于潛在滑動面上的力沿滑動面分解,求出沿滑動面的安全系數。但是擬靜力法無法全面考慮邊坡巖土體受動荷載作用時不同高度和范圍內的動力響應存在變異性和高程及水平放大效應等特征。所以正確認識交通荷載作用下邊坡動態加速度響應規律,對于進一步分析和評價巖質邊坡的長期穩定性具有重要的理論意義和工程應用價值。

簡文斌[12]研究了邊坡對循環荷載的響應,但他只研究了公路面以上邊坡坡面上動力響應,沒有研究坡面向內水平方向以及路面下邊坡的動力響應。本文在已有相關研究成果的基礎上[8-12],以某公路路塹為例,采用美國ITASCA咨詢集團開發的二維快速拉格朗日程序FLAC2D(FastLagrangian Analysis of Continua)6.0中的動力學模塊進行數值計算,研究路塹巖質邊坡動力響應的分布規律,為合理評價交通荷載對邊坡巖土體的影響,優化公路巖質邊坡設計和加固措施,提供理論依據。

1 數值分析模型

邊坡巖土體是一種具有非均質、非連續、非線性等復雜特點的地質體,并受特定的地質環境條件、巖性組合、巖體結構類型和工程特征如坡高、坡度、坡型等諸多因素的影響。在數值模擬中如果綜合考慮上述各種因素,將使問題變得十分復雜。因此將巖石邊坡概化為均質、連續的彈塑性模型。巖體的物理力學參數采用文獻[12]中的參數,如表1所示。

表1 邊坡巖土體參數

1.1 數值模型

動力分析過程一般分為兩個步驟:一定地質條件下的靜力平衡計算與施加動力荷載后的動力反應分析。在第一步中確定模型范圍、初始條件、材料類型、本構模型以及模型的填筑、開挖、襯砌等,也就是靜力作用下的平衡計算;第二步是在第一步計算的基礎上施加動荷載,考慮動力加載和動力邊界、力學阻尼和地震波在介質中的傳播。

某盤山公路邊坡坡高48m,坡角45°,建立的數值模型如圖1。為了保證波在模型中正確傳播,劃分網格最大尺寸為2m。模型采用平面應變假設與摩爾-庫侖強度準測。公路向上坡面設置6個監測點,沿高程每4m一個(A 1-A 6);公路坡面向下設6個監測點,沿高程每4m一個(B1-B6);坡面向內水平方向設10個監測點,每4 m一個(C1-C10)。

圖1 邊坡計算模型及監測點示意圖Fig.1 The slopemodel for numerical simulation and distribution of monitoring points.

1.2 交通動荷載和邊界條件

汽車同公路的相互作用是一個復雜的過程。汽車行駛時速度范圍大,輪胎阻尼隨機性強,路面不平整情況等因素都對汽車荷載及沖擊力有影響,荷載大小,空間分布均具有隨機性,準確確定動力荷載的量值非常繁瑣和困難[13]。樊秀峰[8]和葉四橋[13]、蒯行成[14]的研究結果見圖2。從圖中可以看到汽車作用在路面的動荷載反力類似于正弦波形式,所以用在模型中輸入的動力荷載用正弦波的形式表達為

由于公路汽車荷載是一種隨機荷載,它隨車重量和速度的變化而變化,所以取在40～90 kN之間變化。

邊坡模型的邊界條件設定如下:公路和坡頂為自由表面;左側和右側邊界施加水平方向的位移約束,同時施加粘滯邊界條件;模型底部設置水平和垂直方向位移約束,施加粘滯邊界條件。

2 數值計算結果分析

2.1 向上坡面

圖3是公路向上坡面各監測點(A 1-A 6)在不同交通荷載作用下最大加速度與高程的關系圖,可看到最大水平和垂直加速度都隨高程的增大而逐漸減小。離公路越近(高程越低),荷載強度越大,衰減也快;隨著高程的增大衰減也越來越慢。計算結果與文獻[8]實測值所反映的規律一致。在相同交通振動荷載作用下,相同高程測點的垂直加速度和水平加速度處于同一量級,并且垂直加速度大于水平加速度。

圖2 車輛后輪動反力和交通荷載作用下巖質邊坡振動加速度Fig.2 Time-history curve of at dynamic reaction vehic lerearwheel and vibration acceleration of slope under traffic load.

圖3 向上坡面不同荷載下最大加速度與測點高程關系Fig.3 Relationship between them aximum accelerations and the elevationsofmonitoring pointson the slope above the road under different loads.

圖4 向上坡面各監測點最大加速度與交通荷載最大振幅關系Fig.4 Relationships between them aximum acceleration ofmonitoring pointson the slope above the road and them axim umam plitudesof traffic loads.

圖4是公路向上坡面各監測點最大加速度和交通荷載最大振幅的關系圖,可以看到各監測點的垂直和水平加速度曲線都隨著交通荷載振幅的增大單調遞增,但沿坡面向上各個監測點的加速度曲線的斜率逐漸減小。即在相同的荷載作用下,距公路越近的點振動響應越敏感,增幅也越大。計算結果與文獻[8]實測值所反映的規律一致。文獻[12]所得出的邊坡巖土體振動加速度隨交通荷載的增大呈線性增大的規律與本本文所得出的非線性規律并不矛盾,這是因為文獻[12]中振動加速度是合成加速度,而本文中是將加速度分解為水平和垂直加速度來研究的。

2.2 向下坡面

圖5是公路向下坡面各監測點(B1-B 6)最大加速度與高程關系圖,可以看到各監測點的最大水平和垂直加速度隨高程的減小而減小。坡面上測點高程越高(離荷載源越近),荷載強度越大,衰減也越強烈;隨著高程的降低,響應逐漸減小,衰減逐漸變弱。高程8m以上響應衰減較快,8m以下則基本保持不變。向下坡面巖土體的水平振動加速度和垂直加速度比向上坡面大一個量級,并且離震源較近的巖土體振動加速度衰減幅度顯著大于向上坡面巖土體振動加速度,同時離震源較遠的巖土體振動加速度的衰減幅度顯著小于向上坡面巖土體振動加速度。相同測點在同一荷載作用下,水平加速度和垂直加速度在同一量級,水平加速度略大于垂直加速度。

圖5 向下坡面不同荷載下最大加速度與測點高程關系Fig.5 Relationship between them aximum accelerations and the elevationsofmonitoring pointson the slope below the roadunder different loads.

圖6是公路向下坡面各監測點最大水平加速度和垂直加速度與交通荷載最大振幅的關系圖,可以看到邊坡監測點的水平和垂直加速度都隨交通荷載最大振幅的增大而增大,但不同測點增大的幅度不一樣。測點離震源距離越小,動力響應越敏感,加速度的增幅也越大;離震源距離較遠時加速度隨荷載振幅增大的幅度越來越來越小,到幾乎保持不變。

圖6 向下坡面各監測點最大加速度與交通荷載最大振幅關系Fig.6 Relationship sbetween them aximum acceleration ofmonitoring pointson the slope below the road and them aximumamp litudesof trafficloads.

2.3 坡面向內水平方向

圖7是坡面向內水平方向各監測點(C1-C10)的最大水平加速度和垂直加速度與距坡面水平距離的關系圖,可以看到各監測點的最大加速度隨著距坡面水平距離的增大呈單調遞減的趨勢,并且交通荷載越大,曲線的斜率越大,即遞減的幅度大。與沿坡面向上加速度變化規律類似,離震源越近的點衰減越強烈,隨著離震源距離的增大,衰減越來越弱。垂直加速度和水平加速度處于同一數量級,垂直加速度大于水平加速度,且對荷載變化的敏感程度低于水平加速度。

圖7 坡內不同荷載下最大加速度與測點距坡面距離關系Fig.7 Relationship sbetween them aximum acceleration and distances from monitoring pointsinner slope under different loads.

圖8是坡面向內各監測點最大水平和垂直加速度與交通荷載最大振幅關系圖,可以看到各點的水平和垂直加速度值隨著交通荷載的增大逐漸增大。離震源越近(距坡面水平距離越小)的點,動力響應越敏感,加速度增幅越大,表現為曲線斜率越大。

圖8 坡內各監測點最大加速度與交通荷載最大振幅關系Fig.8 Relationships between them axim um acceleration ofmonito ring points inner slope and the m axim um am p litudesof traffic loads.

3 結論

(1)交通荷載越大,邊坡巖土體的振動加速度越大;交通荷載越小,振動加速度越小。

(2)振動加速度隨著高程的增大(坡面向上)或距坡面水平距離(坡面向內水平方向)增大逐漸減小。離震源越近的點動力響應越敏感,衰減強烈;距離越遠衰減幅度逐漸減小;并且交通荷載越大衰減的幅度越大。

(3)交通荷載作用下,路面以上水平加速度和垂直加速度處于同一量級,垂直加速度大于水平加速度;路面以下邊坡振動加速度比路面以上大一個量級,水平加速度和垂直加速度處于同一量級。

本文僅對豎向振動交通荷載作用下巖質邊坡動力響應進行了數值分析,考慮橫向交通荷載作用下邊坡動力響應問題有待進一步研究。

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Numerical Analysis of Slope Dynam ic Response under Traffic Loads

CA IHanch-eng,YAN Zhi-xin,WANGQun-m in,L IANG X iao-bo

(Schoo l ofC ivil Engineering and M echanics,Lanzhou University,Lanzhou 730000,Ch ina)

TU 435

A

1000-0844(2010)03-0220-06

2009-08-09

蔡漢成(1974-),男,甘肅武威人,碩士研究生,主要從事巖土工程和工程地質研究工作.