近斷層地震動(dòng)作用下土質(zhì)邊坡動(dòng)力響應(yīng)研究①

宋 健，高廣運(yùn)，陳青生，趙 宏

（1．同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092；2．同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；3．上海建工集團(tuán)股份有限公司，上海 200050）

0 引言

邊坡工程具有高度大、坡度陡且大多位于多山地帶等特點(diǎn)。滑坡的發(fā)生會(huì)引起道路橋梁的掩埋、建筑房屋的破壞等一系列工程災(zāi)害，對(duì)經(jīng)濟(jì)的建設(shè)、人們的生命安全造成嚴(yán)重的影響。地震是引發(fā)邊坡失穩(wěn)的重要原因之一，因此邊坡的地震穩(wěn)定性問題受到普遍關(guān)注。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)地震作用下邊坡動(dòng)力響應(yīng)特征和變化規(guī)律進(jìn)行了深入研究，整體而言，主要以邊坡動(dòng)力加速度、最終位移、動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)變的大小和分布作為評(píng)價(jià)邊坡地震響應(yīng)的參數(shù)。徐光興等［1］利用FLAC 3D分析了地震作用下邊坡的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律以及地震動(dòng)參數(shù)的影響，并與振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比；言志信等［2］分析了黃土邊坡的地震響應(yīng)；楊慶華等［3］對(duì)汶川地震中巖土體邊坡的崩塌模式及機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)；倪振強(qiáng)等［4］采用模型試驗(yàn)的方法研究了地震作用下非貫通節(jié)理巖體斜坡的動(dòng)力反應(yīng)；楊國香等［5］采用室內(nèi)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究了順層及均質(zhì)結(jié)構(gòu)巖質(zhì)邊坡在地震作用下的動(dòng)力加速度響應(yīng)；鄭穎人等［6］采用FLAC動(dòng)力強(qiáng)度折減法，結(jié)合具有拉和剪切破壞分析功能的FLAC 3D軟件對(duì)地震邊坡破壞機(jī)制進(jìn)行數(shù)值分析，結(jié)果表明邊坡在地震作用下破壞機(jī)制表現(xiàn)在邊坡體的上部拉破壞和下部的剪切破壞。然而，以上研究成果均未涉及近斷層地震動(dòng)特性對(duì)邊坡破壞的影響；劉紅帥和薄景山［7］以及祁生文［8］都曾指出邊坡地震反應(yīng)與輸入地震動(dòng)的特性密切相關(guān)；Rodriguez－Marek［9］研究了近斷層地震動(dòng)向前方向性效應(yīng)對(duì)多層框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響，證明了含向前方向性效應(yīng)的近斷層地震動(dòng)脈沖使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的延展性需求；Kalkan和Kunnath［10］；楊迪雄等［11］通過對(duì)近斷層向前方向性與滑沖效應(yīng)地震動(dòng)作用下框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)近斷層地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞作用更強(qiáng)，其產(chǎn)生地震危害性更大；張鵬等［12］通過對(duì)汶川地震中滑坡災(zāi)害的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪、圖像采集，認(rèn)為災(zāi)區(qū)滑坡破壞特征與近斷層地震動(dòng)效應(yīng)存在密切聯(lián)系，且近斷層地震滑坡與遠(yuǎn)震滑坡在災(zāi)害機(jī)理與破壞形式上明顯不同。因此，研究近斷層地震動(dòng)作用下邊坡的動(dòng)力響應(yīng)問題具有重要的理論價(jià)值和工程意義。

本文利用FLAC有限差分軟件建立了一個(gè)簡(jiǎn)化的土質(zhì)邊坡模型，對(duì)邊坡在近斷層地震動(dòng)作用下的動(dòng)力響應(yīng)（剪應(yīng)變?cè)隽俊⑽灰啤⒓铀俣龋┻M(jìn)行了非線性分析，得出了近斷層地震動(dòng)向前方向性效應(yīng)及滑沖效應(yīng)對(duì)邊坡動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)的分布及變化規(guī)律的影響，為進(jìn)一步研究近斷層區(qū)域邊坡的失穩(wěn)破壞及近斷層附近邊坡抗震指標(biāo)的完善提供了一定的參考性結(jié)論。

1 汶川地震中滑坡分布調(diào)查

近年來國內(nèi)外邊坡地震破壞調(diào)查表明，近斷層地震動(dòng)對(duì)邊坡工程的破壞尤為明顯，滑坡的分布與發(fā)震斷層密切相關(guān)。圖1為2008年汶川地震中滑坡數(shù)與斷層距的關(guān)系［13］。由圖可知，80%以上的滑坡發(fā)生在斷層距小于15km的區(qū)域，且滑坡整體上沿龍門山逆沖斷層呈帶狀分布，位于斷層上盤的邊坡破壞程度遠(yuǎn)大于下盤場(chǎng)地。這說明邊坡的失穩(wěn)破壞與近斷層地震動(dòng)存在密切聯(lián)系。近斷層地震動(dòng)由于其低頻成份豐富、特征周期長(zhǎng)，具有向前方向性速度脈沖效應(yīng)和滑沖效應(yīng)，在振幅、頻譜和持時(shí)等方面與遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)有明顯的差別，對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞作用也更強(qiáng)。因此，近斷層區(qū)域邊坡工程的地震響應(yīng)與遠(yuǎn)場(chǎng)地區(qū)差別很大，破壞結(jié)果也可能更為顯著。

圖1 滑坡比例與斷層距的關(guān)系［11］Fig．1 Relationship between proportion of landslide＇s number and the fault distance［11］．

2 邊坡地震響應(yīng)數(shù)值模擬

2．1 計(jì)算模型及參數(shù)選取

圖2 邊坡計(jì)算模型示意圖Fig．2 Numerical model of the slope．

為了研究近斷層地震動(dòng)作用下邊坡動(dòng)力響應(yīng)的一般規(guī)律，采用一個(gè)簡(jiǎn)化邊坡模型［1］，坡高H＝20 m，坡角α＝34°，坡頂后緣長(zhǎng)度B＝80m。采用FLAC 5．0建立邊坡動(dòng)力數(shù)值模型，如圖2所示。對(duì)模型進(jìn)行靜力計(jì)算獲得自重應(yīng)力場(chǎng)后，進(jìn)行邊坡時(shí)域地震響應(yīng)計(jì)算。為防止固定邊界導(dǎo)致的地震波在邊界處的反射，且允許必要的能量耗散，模型底部采用靜態(tài)邊界，兩側(cè)采用自由場(chǎng)邊界。表1為邊坡土體的初始物理力學(xué)參數(shù)，施加荷載后土體服從理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系，屈服函數(shù)為 Mohr－Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，并采用相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則。至于土體的非線性，是基于Idriss和Seed［14］提出的等效線性方法。本文采用的是FLAC 5．0提供的Default模型確定剪切模量隨剪應(yīng)變的變化關(guān)系，具體內(nèi)容可見參考文獻(xiàn)［15］。由于本文重點(diǎn)是分析近斷層地震動(dòng)特性對(duì)邊坡動(dòng)力響應(yīng)的影響，因此模型簡(jiǎn)化為均質(zhì)土體。為了得到近斷層地震動(dòng)作用引起的邊坡動(dòng)力響應(yīng)分布及變化規(guī)律，在坡面及坡體中部B／2處沿豎直方向設(shè)置計(jì)算控制點(diǎn)。

表1 邊坡土體參數(shù)Table 1 Parameters of slope soil

2．2 近斷層地震動(dòng)參數(shù)

由于汶川地震與臺(tái)灣集集地震均為擠壓推覆構(gòu)造環(huán)境下發(fā)生的逆斷層型地震［16］。因此，本文選取臺(tái)灣集集地震（1999年9月21日，震級(jí)MW＝7．6）的近斷層地震動(dòng)記錄TCU051－EW、TCU052－EW、TCU054－EW、TCU068－EW、TCU068－NS、TCU071－EW、TCU078－EW、TCU082－EW、TCU089－EW 作為地震動(dòng)輸入。其中，TCU051－EW、TCU054－EW、TCU082－EW 為具有向前方向性脈沖地震動(dòng)，TCU052－EW、TCU068－EW、TCU068－NS為具有滑沖效應(yīng)脈沖地震動(dòng)，TCU071－EW、TCU078－EW、TCU089－EW為無速度脈沖地震動(dòng)。表2列出了三組近斷層地震動(dòng)的特性參數(shù)。其中PGA、PGV和PGD分別為峰值地面加速度、峰值地面速度及峰值地面位移。圖3分別描述了典型的含向前方向性效應(yīng)、滑沖效應(yīng)以及無速度脈沖效應(yīng)的地震動(dòng)加速度、速度及位移時(shí)程曲線。由圖可知，圖3（a）以TCU051－EW為代表的含破裂向前方向性脈沖，具有明顯的速度和位移脈沖，而且脈沖曲線呈雙向往復(fù)形式，雙向振動(dòng)幅值基本一致，地震動(dòng)最終位移趨向于0；圖3（b）以TCU052－EW為代表的含滑沖效應(yīng)脈沖，具有明顯的速度脈沖，且脈沖曲線呈單向運(yùn)動(dòng)形式，地震動(dòng)最終位移趨于某一定值，即產(chǎn)生了永久地面變形。

為了分析近斷層地震動(dòng)對(duì)邊坡動(dòng)力響應(yīng)的影響，同時(shí)保留三組地震動(dòng)各自原有的特性，動(dòng)力數(shù)值計(jì)算時(shí)將輸入地震波峰值加速度均調(diào)整為統(tǒng)一值。考慮到過大的地震動(dòng)將直接導(dǎo)致邊坡模型失穩(wěn)破壞，圖4為滑沖效應(yīng)TCU052－EW原始的地震動(dòng)作用下邊坡的動(dòng)力計(jì)算結(jié)果，在計(jì)算到40s左右時(shí)已發(fā)生滑坡。因此，為了更細(xì)致地研究近斷層地震動(dòng)特性對(duì)邊坡動(dòng)力響應(yīng)分布及變化規(guī)律的影響，本文計(jì)算時(shí)取統(tǒng)一調(diào)整峰值加速度為0．2g。

表2 三組近斷層地震動(dòng)的特性參數(shù)Table 2 Property parameters of near－fault ground motions included in the dynamic analysis of slope

3 近斷層地震動(dòng)作用下邊坡動(dòng)力響應(yīng)分析

將選定的三組近斷層地震動(dòng)作為輸入對(duì)邊坡模型進(jìn)行地震響應(yīng)分析，主要探討不同近斷層地震動(dòng)特性對(duì)坡體剪應(yīng)變?cè)隽俊⑵麦w位移響應(yīng)以及坡體加速度響應(yīng)分布及變化規(guī)律的影響。

3．1 坡體剪應(yīng)變?cè)隽?/h3>

圖5為三種近斷層地震動(dòng)作用下邊坡最終剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D。由圖可知，地震初始階段剪應(yīng)變?cè)隽孔畲髤^(qū)域主要集中在坡腳附近，隨著地震的持續(xù)該區(qū)域逐漸向坡體內(nèi)部發(fā)展，最終在坡面內(nèi)形成一條剪應(yīng)變?cè)隽枯^明顯的弧形帶狀分布區(qū)域。說明在近斷層地震動(dòng)作用下，均質(zhì)土體邊坡破壞形態(tài)仍是沿著某一潛在的弧形滑動(dòng)面失穩(wěn)。

圖3 輸入三種典型近斷層地震動(dòng)時(shí)的加速度、速度及位移時(shí)程曲線Fig．3 Acceleration，velocity and displacement time histories for inputing three different near－fault ground motions．

對(duì)比含向前方向性效應(yīng)脈沖、滑沖效應(yīng)脈沖以及無速度脈沖型近斷層地震動(dòng)作用下坡體的終態(tài)剪應(yīng)變?cè)隽靠梢钥闯觯嗤逯导铀俣鹊牡卣饎?dòng)作用下，兩種速度脈沖型地震動(dòng)引起的坡體剪應(yīng)變?cè)隽窟h(yuǎn)大于無速度脈沖型地震動(dòng)，且前者已形成完整的滑動(dòng)面，延伸至坡頂附近，而后者剪應(yīng)變?cè)隽糠等约性谄履_附近處，尚未形成明顯的滑動(dòng)面。說明脈沖型地震動(dòng)對(duì)邊坡的破壞作用遠(yuǎn)大于非脈沖型地震動(dòng)。由滑沖效應(yīng)地震動(dòng)引起的坡體剪應(yīng)變?cè)隽糠荡笥谟上蚯胺较蛐孕?yīng)引起的坡體剪應(yīng)變幅值，滑動(dòng)面的位置基本一致。

3．2 坡體位移響應(yīng)

圖4 原始TCU052－EW地震動(dòng)記錄輸入時(shí)邊坡的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍DFig．4 Shear－strain increment contour for the input ground motion of original TCU052－EW with fling－step pulse．

圖5 三種不同近斷層地震動(dòng)輸入時(shí)邊坡的最終剪應(yīng)變?cè)隽吭茍DFig．5 Shear－strain increment contour for three different input near－fault ground motions．

跟蹤坡面各計(jì)算控制點(diǎn)的水平位移時(shí)程，可以發(fā)現(xiàn)，地震動(dòng)結(jié)束時(shí)坡面各點(diǎn)產(chǎn)生了永久位移。圖6為不同地震動(dòng)作用下坡面最終水平位移隨高度的變化規(guī)律。由圖可知，三組地震動(dòng)作用下坡體最大位移均發(fā)生在坡腳附近。速度脈沖型地震動(dòng)引起的坡面永久位移遠(yuǎn)大于無速度脈沖型地震動(dòng)；而滑沖效應(yīng)地震動(dòng)引起的坡面位移略大于由向前方向性效應(yīng)引起的坡面位移。對(duì)比三組地震動(dòng)引起的坡面位移隨高度的變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，滑沖效應(yīng)脈沖作用下位移隨高度的增大而減小的幅度要大于向前方向性效應(yīng)脈沖，且坡腳的位移較大，TCU068－EW滑沖效應(yīng)脈沖引起的坡腳永久位移甚至大于坡肩處位移。無速度脈沖地震動(dòng)引起的坡面位移沿坡體高度先增大，然后基本保持不變，這主要是因?yàn)闊o速度脈沖地震動(dòng)尚不能使坡體產(chǎn)生完整的破裂帶，坡體永久位移最大值分布也沒有速度脈沖型地震動(dòng)明顯。

3．3 坡體加速度響應(yīng)

圖7和圖8分別給出了坡面和坡體B／2處各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平方向絕對(duì)峰值加速度隨高度的變化曲線。可以看出，三組近斷層地震動(dòng)作用下邊坡對(duì)輸入地震波存在垂直放大和臨空面放大效應(yīng)的規(guī)律［1－2］。但坡體峰值加速度沿高度的變化規(guī)律存在明顯差異：向前方向性效應(yīng)脈沖作用下，坡面及坡體內(nèi)峰值加速度沿高度增加趨勢(shì)較明顯；而滑沖效應(yīng)脈沖作用下，峰值加速度沿高程的變化幅度較小，坡體中下部的峰值加速度值也較大；無速度脈沖地震動(dòng)引起的坡體峰值加速度隨坡體高度的增加先減小后增大，這可能與無速度脈沖地震動(dòng)的頻譜特征有關(guān)。因此，具有向前方向性效應(yīng)的地震動(dòng)會(huì)增大邊坡加速度沿高程的放大效應(yīng)；而具有滑沖效應(yīng)的地震動(dòng)則在一定程度上削弱了這種放大效應(yīng)，且邊坡中下部峰值加速度值相對(duì)于向前方向性效應(yīng)地震動(dòng)和無速度脈沖地震動(dòng)引起的峰值加速度值較大。圖6的坡體水平位移響應(yīng)分析也說明了這一點(diǎn)。

為了更清晰地了解三組近斷層地震動(dòng)作用下坡體峰值加速度的分布規(guī)律，表3和表4分別列出了不同地震動(dòng)引起的邊坡坡面及B／2處水平加速度峰值的放大系數(shù)，即坡頂加速度峰值與坡底加速度峰值的比值。可以看出，向前方向性效應(yīng)脈沖引起的坡體峰值加速度放大系數(shù)遠(yuǎn)大于滑沖效應(yīng)脈沖及無速度脈沖，而滑沖效應(yīng)脈沖作用下的坡體峰值加速度放大系數(shù)最小。

表3 不同近斷層地震動(dòng)輸入時(shí)坡面水平加速度峰值放大系數(shù)Table 3 Amplification coefficient of peak horizontal acceleration at slope surface for different input near－fault ground motions

圖6 不同近斷層地震動(dòng)輸入時(shí)坡面最終水平位移隨高度的變化Fig．6 Variation of permanent horizontal displacements along the slope surface for three input near－fault ground motions．

圖8 不同近斷層地震動(dòng)輸入時(shí)坡體B／2處水平方向絕對(duì)峰值加速度隨高度的變化Fig．8 Variation of peak horizontal acceleration in vertical direction at the position of B／2of slope for different input near－fault ground motions．

4 結(jié) 論

（1）具有向前方向性效應(yīng)和滑沖效應(yīng)的速度脈沖型近斷層地震動(dòng)作用下，坡體剪應(yīng)變?cè)隽窟h(yuǎn)大于無速度脈沖型地震動(dòng)，且前者已形成清晰完整的滑動(dòng)面，延伸至坡頂附近，而后者剪應(yīng)變?cè)隽糠等约性谄履_附近處，尚未形成明顯的滑動(dòng)面。

（2）速度脈沖型地震動(dòng)引起的坡面永久位移遠(yuǎn)大于無速度脈沖型地震動(dòng)，而滑沖效應(yīng)地震動(dòng)引起的坡面位移略大于由向前方向性效應(yīng)引起的坡面位移。滑沖效應(yīng)脈沖作用下，位移隨高度的增大而減小的幅度也要大于向前方向性效應(yīng)脈沖，且坡腳的位移較大。

（3）具有向前方向性效應(yīng)的地震動(dòng)會(huì)增強(qiáng)邊坡加速度沿高程的放大效應(yīng)；而具有滑沖效應(yīng)的地震動(dòng)則在一定程度上削弱了這種放大效應(yīng)，且邊坡中下部峰值加速度值相對(duì)于向前方向性效應(yīng)地震動(dòng)和無速度脈沖地震動(dòng)引起的峰值加速度值較大。

表4 不同近斷層地震動(dòng)輸入時(shí)坡體B／2處水平加速度峰值放大系數(shù)Table 4 Amplification coefficient of peak horizontal acceleration in vertical direction at the position of B／2of slope for different input near－fault ground motions

（4）整體而言，含速度脈沖地震動(dòng)對(duì)邊坡的破壞作用遠(yuǎn)強(qiáng)于無速度脈沖地震動(dòng)，在邊坡抗震分析和設(shè)計(jì)中應(yīng)將近斷層地震動(dòng)與一般的遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)區(qū)分對(duì)待。

值得指出的是，本文的結(jié)論僅僅針對(duì)一個(gè)均質(zhì)土層邊坡簡(jiǎn)化模型，而實(shí)際工程中邊坡的形態(tài)和坡體材料是很復(fù)雜的，因此近斷層地震動(dòng)特性對(duì)邊坡動(dòng)力響應(yīng)的影響還需要針對(duì)具體工程進(jìn)一步分析。

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