軟弱夾層位置變化對地震荷載作用下的動力響應數(shù)值研究

2019-09-05 08:04:00丁磊

水利科技與經濟 2019年8期

丁磊

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設管理局，烏魯木齊 830000)

1 概述

邊坡的穩(wěn)定是非常復雜的問題，一直是研究的熱點，含有軟弱夾層的邊坡穩(wěn)定問題尤其值得關注。在地震荷載的影響下，邊坡容易受到破壞，加強對其穩(wěn)定性研究有助于減少地震災害的影響。

邊坡穩(wěn)定性研究始于上世紀30年代，當時主要集中于土質邊坡[1]。由于巖性邊坡更加穩(wěn)定，之后又對巖性邊坡開展了一些研究[2-3]。在實際中，邊坡的材質往往是多種多樣的，含有軟弱夾層的邊坡非常普遍，而軟弱夾層是邊坡穩(wěn)定的關鍵因素[4]。費先科[5]在前人研究的基礎上進行總結分析，進而提出適用于含有軟弱夾層邊的坡穩(wěn)定性計算方法。孫廣忠[6]、楊令強[7]、茍水泉[8]等采用不同試驗對含有軟弱夾層的邊坡進行相關研究。劉立平[9]、許寶田[10]等在試驗的基礎上將數(shù)值模擬應用于含有軟弱夾層的邊坡穩(wěn)定相關研究中，并取得了一定的成果。

本文在前人研究的基礎上，以有限元軟件FLAC3D為基礎，對不同地震荷載作用下軟弱夾層布置位置對邊坡穩(wěn)定性的影響展開研究，為邊坡的穩(wěn)定性研究提供理論依據(jù)。

2 模型建立

本文以大型有限元軟件FLAC3D為基礎，對在不同地震荷載作用下邊坡內含有的軟弱夾層位置變化動力響應問題進行數(shù)值分析。本文中選取的模型邊坡基礎高度20 m，坡高20 m，邊坡角度45°，坡頂寬度50 m，坡頂距離基礎底部距離40 m，邊坡寬度100 m，邊坡長度1 m。根據(jù)實際研究需要不同，將邊坡內軟弱夾層以垂向5 m為基礎逐漸向上移動，分別設置在坡腳、四分之一坡高、二分之一坡高、四分之三坡高、坡頂位置處，見圖1。坡面和坡內測點布置見圖2。

圖1 軟弱夾層布置位置圖

圖2 測點布置位置圖

針對以上幾種布置方案進行邊界條件的設置。材料方面硬質邊坡選擇軟巖、軟質夾層選擇黏土，對應的材料參數(shù)見表1。本構模型選擇Mohr-Coulomb彈塑性本構模型。邊坡底部采用全固定邊界，邊坡兩側采用水平位移約束，垂向不進行特殊設置使邊坡受重力荷載作用變化，局部阻尼系數(shù)為0.16。采用結構化網格進行劃分，網格總數(shù)653 210個。

表1 模型材料

對于地震荷載采用單個簡諧脈沖，有單向脈沖地震波、雙向脈沖地震波、無脈沖地震波3種波形，施加方式采用應力、集中力時程，具體波形見圖3。

圖3 地震脈沖波形圖

3 結果分析

3.1 坡面加速度分析

在3種地震荷載作用下，軟弱夾層布置在不同位置的坡面加速度變化曲線見圖4。

圖4 坡面加速度放大系數(shù)沿高程變化曲線

根據(jù)圖4可知，坡面加速度放大系數(shù)隨著高程的增加先平穩(wěn)定變化，然后急劇增加，出現(xiàn)明顯的跳躍，最后平穩(wěn)增加。從坡腳到四分之三坡高位置處，軟弱夾層布置位置逐漸上升，加速度放大系數(shù)平穩(wěn)段范圍逐漸增大，說明軟弱夾層下面相對較穩(wěn)定。在較低位置處雙脈沖、單脈沖和無脈沖地震荷載作用下的加速度放大系數(shù)逐漸減小。隨著高程的增加，單脈沖地震荷載作用下的加速度放大系數(shù)逐漸大于雙脈沖地震荷載作用下的加速度放大系數(shù)。最終在坡頂位置處不同脈沖地震荷載作用下的加速度放大系數(shù)基本一致，放大系數(shù)隨著高程變化呈現(xiàn)類似線性變化。

3.2 坡內加速度分析

在3種地震荷載作用下，軟弱夾層布置在不同位置的坡內加速度變化曲線見圖5。

由圖5可知，坡內加速度放大系數(shù)沿高程變化曲線與坡面變化趨勢基本一致。在坡腳位置處，兩者分布趨勢基本一致，但是在四分之一位置處單脈沖地震荷載作用下的加速度放大系數(shù)已經開始大于雙脈沖地震荷載作用下的加速度放大系數(shù)。軟弱夾層在邊坡中間位置處時，坡腳處3種地震荷載作用下的加速度放大系數(shù)開始出現(xiàn)不同，雙脈沖、單脈沖和無脈沖荷載作用下的加速度放大系數(shù)逐漸減小。在坡頂位置處，單脈沖地震荷載作用下的加速度放大系數(shù)最小，對比分析發(fā)現(xiàn)，坡內和坡面的加速度放大系數(shù)基本分布一致，當軟弱夾層在較高位置時，坡腳加速度放大系數(shù)出現(xiàn)明顯不同。

圖5 坡內加速度放大系數(shù)沿高程變化曲線

3.3 夾層位置變化影響

在單脈沖、雙脈沖和無脈沖地震荷載作用下，不同軟弱夾層位置的加速度放大系數(shù)隨坡高變化曲線分別見圖6、圖7、圖8。

圖6 單脈沖地震荷載作用下加速度放大系數(shù)

由圖6、圖7、圖8可知，加速度放大系數(shù)隨著軟弱夾層布置位置的升高逐漸減小，但是在變化過程中有所區(qū)別。由圖6可知，在單脈沖地震荷載作用下，坡面和坡內的加速度放大系數(shù)變化趨勢有所區(qū)別，軟弱夾層布置在四分之一坡高位置時，夾層以下加速度放大系數(shù)較小，軟弱夾層以上加速度放大系數(shù)較大。由圖7可知，坡面和坡內加速度放大系數(shù)基本一致。在圖8中，軟弱夾層布置在邊坡中間位置時坡內和坡面加速度放大系數(shù)有所區(qū)別。