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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