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        地震作用下預(yù)應(yīng)力錨索抗震性能及預(yù)應(yīng)力損失的研究

        2012-06-13 09:34:24劉云王成鄭穎人賴杰
        重慶建筑 2012年9期
        關(guān)鍵詞:錨索監(jiān)測點(diǎn)抗震

        劉云 ,王成,鄭穎人,賴杰

        (1重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院,重慶400074;2重慶地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心,重慶400041;

        3后勤工程學(xué)院軍事建筑工程系,重慶401311)

        0 引言

        目前地殼較為活躍,地震不斷、滑坡頻繁,嚴(yán)重危害人類的生命財(cái)產(chǎn)安全。僅在我國的汶川地震誘發(fā)的滑坡多達(dá)1萬多處,大量的滑坡使得公路鐵路交通中斷,更給救援工作帶來了極大的困難,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失?;略斐傻牡刭|(zhì)災(zāi)害損失占到整個地震損失的1/3左右?;诖耍髡邔︻A(yù)應(yīng)力錨索在地震作用下的抗震性能與預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行了分析。文章采用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則,利用可以考慮巖土體抗拉強(qiáng)度的FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,初步探討了錨索預(yù)應(yīng)力損失隨地震動作用過程的變化情況、支護(hù)邊坡抗震性能,旨在為預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)邊坡的抗震性能分析與支護(hù)設(shè)計(jì)提供一定依據(jù)。

        1 失穩(wěn)破壞準(zhǔn)則

        在邊坡動靜力穩(wěn)定性分析中,首先要弄清楚的是邊坡的破壞機(jī)制,知道破裂面的位置和破裂面的性質(zhì)(剪切破壞或張拉破壞)。目前,通常是假定邊坡破壞就是剪切滑移破壞,通過極限平衡方法搜索邊坡的最不穩(wěn)定滑面,再通過積分運(yùn)算求得抗滑力與下滑力的比值,從而得到邊坡穩(wěn)定系數(shù),并以此評價邊坡在靜力條件下的穩(wěn)定性,對于動力問題往往最終也是轉(zhuǎn)化為靜力問題進(jìn)行求解。我國著名的地質(zhì)學(xué)家谷德振從國內(nèi)外眾多工程實(shí)踐分析指出:巖質(zhì)體的失穩(wěn)破壞主要由剪切滑移、拉張開裂破壞及壓縮變形這三個方面引起[1]。文獻(xiàn)[2]、[3]也指出巖體的變形破壞應(yīng)隨巖體的特征及受力狀態(tài)的不同而有所差異,其主要的破壞機(jī)制可以分為剪切破壞和張拉破壞兩大類。

        簡單的剪切破壞機(jī)制無法對一些現(xiàn)象進(jìn)行合理地解釋,比如:①在某些工況下,靠近坡頂?shù)倪吘壐浇?,坡面的徑向與坡頂面的切向應(yīng)力的合力將為拉應(yīng)力,在拉應(yīng)力的作用下,坡頂一定深度內(nèi)的部分土體將受拉破壞[4];②汶川地震中滑坡滑體飛躍的現(xiàn)象;③地震時破裂面的破裂性質(zhì)及位置。因此傳統(tǒng)將邊坡視為剪切滑移的分析方法不是考慮保守,造成浪費(fèi);要么安全因素思考不夠全面,使邊坡存在一定的危險[5]?;诖?,本文利用完全動力有限元法[6,7],該法不僅荷載是動力的,而且破裂面也是動力分析得到的,能考慮巖體的抗拉強(qiáng)度對穩(wěn)定性的影響,能夠較好地反映邊坡的地震響應(yīng)與抗震性能。采用的屈服準(zhǔn)則為考慮巖體自身的抗拉強(qiáng)度的摩爾-庫倫準(zhǔn)則,該破壞準(zhǔn)則寫為下式:

        其中:τf為土體的抗剪強(qiáng)度,σ3為第三主應(yīng)力,σ1為巖體抗拉強(qiáng)度,φ為巖體內(nèi)摩擦角,C為粘聚力,σ為法向應(yīng)力。

        2 數(shù)值模擬

        本小節(jié)采用的數(shù)值模擬模型為一個坡高25m、坡角70o的Ⅲ類巖質(zhì)邊坡,開展預(yù)應(yīng)力錨索抗震性能與預(yù)應(yīng)力損失相關(guān)研究。該邊坡位于8度抗震設(shè)防地區(qū),巖體容重25.0 kN/m3,存在傾角45o的外傾軟弱結(jié)構(gòu)面。設(shè)置的四個監(jiān)測點(diǎn)(A、B、C、D)位置如圖1所示。邊坡等級為二級,重要性系數(shù)為1.0。

        邊坡采用預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù),橫向間距2.5m,錨索豎向間距3m。每列設(shè)置6孔錨索,單孔錨索為3束,錨索極限承載力776kN,設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力為390kN,彈性模量為20GPa。錨索水平傾角均為20°,每孔錨索設(shè)計(jì)錨固段長5.0m,全部錨入基巖中,從上到下施加的預(yù)應(yīng)力錨索編號為A1~A7,設(shè)四個監(jiān)測點(diǎn)ABCD如圖1所示。

        圖1 預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)邊坡示意圖

        數(shù)值模擬時的材料視為理想彈塑性材料、利用FLAC3D軟件[8]中的Cable單元模擬預(yù)應(yīng)力錨索。邊界條件采用自由場邊界,阻尼采用局部阻尼,阻尼系數(shù)為0.15。邊界大小應(yīng)該計(jì)算的精度要求,本算例采用的計(jì)算邊界為:坡腳到左端邊界的距離為坡高的1.5倍,坡頂?shù)接叶诉吔绲木嚯x為坡高的2.5倍,上下邊界總高為坡高2倍[9,10]。模型的材料參數(shù)情況如下表1所示。

        表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

        輸入的地震波加速度都是經(jīng)過過濾和基線校正處理的雙向地震波。 波的類型有三類:EL Centro波(EL,1940年,NS向)、Linghe波(Linghe,1995年,NS向)和qiqi波(qiqi,1997年,NS向),如圖2所示。雙向地震波的垂直向加速度峰值取水平向加速度峰值的2/3。為了考慮峰值大小對預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)邊坡抗震性能、預(yù)應(yīng)力損失的影響,三種地震波峰值取0.1g、0.2g、0.4g,總的計(jì)算工況如表2所示。

        圖2 計(jì)算輸入的加速度曲線

        表2 預(yù)應(yīng)力錨索數(shù)值分析工況表

        3 預(yù)應(yīng)力錨索地震動下抗震性能與預(yù)應(yīng)力損失分析

        本節(jié)通過與沒有錨索支護(hù)邊坡響應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)的地震響應(yīng)進(jìn)行對比,以此來能更好地反映預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)邊坡的抗震性能。因坡體的加速度響應(yīng)能較好地反映邊坡的動力特性,為了更清晰地體現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)相應(yīng)加速度增大的程度,將監(jiān)測點(diǎn)響應(yīng)水平地震波的峰值與實(shí)際輸入的水平地震波的峰值之比定義為加速度PGA放大系數(shù)。按照規(guī)范規(guī)定不同的地震烈度對應(yīng)不同的加速度峰值。

        當(dāng)輸入的地震波峰值加速度為0.4g時,各監(jiān)測點(diǎn)的加速度響應(yīng)情況從圖3可以看出:監(jiān)測點(diǎn)位置越高加速放大系數(shù)越大,邊坡的地震響應(yīng)越明顯,不同的地震波加速度響應(yīng)不一樣,EL Centro最為明顯,Linghe波較弱,放大系數(shù)大約在1.5至4倍之間。其中,(a)部分(預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù))的監(jiān)測點(diǎn)放大系數(shù)比(b)部分(無支護(hù))對應(yīng)的監(jiān)測點(diǎn)加速度放大系數(shù)要小,表明前者能減弱地震對邊坡的作用,起到一定的減震效果。

        圖3 監(jiān)測點(diǎn)加速度放大系數(shù)

        從圖4可以看出,監(jiān)測點(diǎn)越高水平位移越大,地震響應(yīng)越明顯,這與監(jiān)測點(diǎn)越高,與其相應(yīng)的加速度放大效應(yīng)越大相一致(如圖3所示)。有預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)(a部分)比無支護(hù)時在地震下的位移要小很多,表明前者起到了很好的抗震作用。

        圖4 各監(jiān)測點(diǎn)的位移

        圖5描述的是輸入地震波峰值為0.2g時,在三種地震波下錨索的預(yù)應(yīng)力的變化情況,曲線從上到下依次對應(yīng)A1~A5錨索預(yù)應(yīng)力。從圖中可以看出:在初始時刻預(yù)應(yīng)力損失較為明顯,約為初始應(yīng)力的6%~17.9%,主要原因是加載時土體壓縮造成的預(yù)應(yīng)力損失,錨索在坡面的位置越高損失越小。隨著地震動的進(jìn)行,在地震波峰值時刻,錨索應(yīng)力水平增長較快,在地震作用較小時,應(yīng)力保持水平。地震完后各排錨索預(yù)應(yīng)力損失如表3所示。在地震下靠近坡頂?shù)腻^索起到的抗震作用更大。

        從表3可以看出,錨索預(yù)應(yīng)力在不同的地震波作用下,預(yù)應(yīng)力損失并不相同,本算例EL Centro波損失較大,Qiqi波損失較小。

        圖5 錨索預(yù)應(yīng)力時程曲線

        表3 錨索預(yù)應(yīng)力最終損失

        4 結(jié)論

        本文通過對比有預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)邊坡與沒支護(hù)邊坡在地震波作用下的動力響應(yīng),得到預(yù)應(yīng)力錨索能較好地起到抗震作用的結(jié)論。利用錨索預(yù)應(yīng)力時程曲線,分析在地震動作用下,各排錨索分擔(dān)力的情況及最終預(yù)應(yīng)力損失情況。主要結(jié)論有:

        (1)預(yù)應(yīng)力錨索能很好地減弱邊坡體的加速度放大效應(yīng),起到較好減震效果。

        (2)監(jiān)測點(diǎn)越高,地震響應(yīng)越明顯,水平位移越大。相對于無支護(hù)邊坡,預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)邊坡的監(jiān)測點(diǎn)位移大約為前者8%。

        (3)隨著地震動的進(jìn)行,錨索預(yù)應(yīng)力在地震波峰值時刻后增長較快,在地震作用較小時,應(yīng)力水平幾乎不變。在地震下靠近坡頂?shù)腻^索起到的抗震作用更大。

        (4)因監(jiān)測點(diǎn)越高地震響應(yīng)越明顯,位置越高的錨索的應(yīng)力水平增長更快,最終預(yù)應(yīng)力損失更小。

        (5)錨索預(yù)應(yīng)力在不同的地震波作用下,預(yù)應(yīng)力損失并不相同。

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