董永超
(和田鼎晟工程試驗檢測有限公司,新疆 和田 848000)
大量歷史地震記錄顯示,某個地區(qū)在同一時期發(fā)生的多次地震具有規(guī)律性,這些地震被稱為一個地震序列[1]。一個地震序列包括前震、主震和余震,其中前震發(fā)生次數(shù)較少且震級較低;地震加速度最高的一次或多次地震稱作主震,主震發(fā)生的次數(shù)少,釋放能量高,對建筑物的破壞力強;主震過后數(shù)年內(nèi)都有可能發(fā)生余震,余震次數(shù)極多,且震級分布不一,無常規(guī)的規(guī)律性可言,以2008年“汶川5.12大地震”為例,自5月12日發(fā)生大地震至6月初,地震災區(qū)共監(jiān)測到超過九千余次余震活動,最大的余震震級為里氏6.4級,很多建筑物在5月12日的大地震中受到一定損傷,但仍然具有一定安全性,卻被隨后發(fā)生的余震所損毀,所以對余震的研究和主震一樣具有很高的應用價值??梢悦鞔_的是,余震在主震地震加速度上的基礎上存在一定概率控制的衰減行為,本文主震地震峰值加速度取0.399g,余震峰值加速度由0.399g乘以衰減系數(shù)0.85而得。
主震損傷的混凝土重力壩的局部損傷區(qū)域若是位于庫水水位之下,就有可能導致?lián)p傷區(qū)域發(fā)生滲漏,進而產(chǎn)生局部水力劈裂效應[2]。余震發(fā)生時,水力劈裂和余震會加劇壩體損傷程度?;谝陨峡紤],本文將首先對某高混凝土重力壩進行主震加載,再分別對震后損傷壩體施加余震或水力劈裂及余震的共同作用,以論證水力劈裂對壩體的影響。
混凝土塑性損傷模型是基于連續(xù)損傷力學提出的材料模型,該模型所描述的混凝土應力—應變及動態(tài)損傷特性比較符合混凝土微觀及宏觀力學效應,具體是通過分離混凝土單軸拉、壓應力—應變關系,再結合混凝土剛度損傷因子控制下的剛度—應變曲線關系來實現(xiàn)對混凝土力學特性的定量描述[3-4]。
如圖1所示,混凝土單軸受壓應力—應變關系曲線為三段式,一開始曲線表現(xiàn)為線彈性單調(diào)遞增,應力隨應變的增加逐漸達到屈服強度σc0,曲線斜率為混凝土彈性模量E0,這一階段混凝土保持可恢復的彈性應變;隨后曲線斜率開始減緩并逐漸達到極大值,該極大值點為混凝土強度極限σcu,這一階段的混凝土損傷開始出現(xiàn);越過強度極限σcu后,曲線呈單調(diào)遞減形式,斜率為負,混凝土第二、第三階段都表現(xiàn)出不可逆的塑性發(fā)展特點,損傷因子自屈服強度σc0開始出現(xiàn)并于第三階段末期達到1。
圖1 混凝土單軸受壓應力—應變關系曲線
(1)
混凝土單軸受拉時,混凝土應力—應變關系曲線以屈服強度σt0為分界點劃分為兩階段,應力隨應變的發(fā)展線性增加至屈服強度σt0后直接衰減,其損傷因子同樣在達到屈服強度時出現(xiàn),并在曲線發(fā)展末期達到1。混凝土為抗壓準脆性材料,其抗拉強度一般不到抗壓強度的10%。
(2)
本文以某高混凝土重力壩為研究對象,選取其典型非溢流壩段建立三維模型,該壩段壩高150m,壩頂高程1412m,正常蓄水位高程1398m,上游折坡點高程1323m,折坡點以上壩面鉛直,以下坡降比1∶0.28,下游壩面坡降比1∶0.7。壩體采用C20混凝土,重度2400kg/m3,楊氏彈性模量27GPa,泊松比0.2。
如表1所示,模型分三個工況加載,主震采用Koyna地震波,峰值加速度調(diào)幅至0.399g,余震調(diào)幅至0.339g,水力劈裂大小由主震損傷的壩體結果得到。
表1 工況組合
主震損傷結果見圖2。
圖2 主震損傷結果
由圖2可看出,壩體在經(jīng)歷了峰值加速度0.399g的主震加載后,混凝土損傷主要集中在以壩踵、壩趾為中心的扇形區(qū)域內(nèi),壩踵的損傷面積大于壩趾,損傷量在0.4至0.8之間,但高度損傷區(qū)域面積較小且未貫穿壩底,所以壩體受輕微損傷。
工況2在工況1的基礎上進行了峰值加速度0.339g的余震加載,其結果如圖3所示,壩體損傷區(qū)域擴散,壩底及上游折坡點為高度損傷區(qū),其損傷量在0.77至0.93之間,且壩頸也出現(xiàn)了損傷量為0.38的局部損傷區(qū)??梢耘卸ㄓ嗾鸺觿×藟误w的損傷程度,大壩安全性降低。
圖3 余震損傷結果
由工況1可知壩踵混凝土出現(xiàn)損傷,該區(qū)域?qū)⑹艿綆焖那治g、滲透,從而產(chǎn)生水力劈裂,本文在損傷區(qū)域?qū)墓?jié)點施加了豎直向上和豎直向下的一對荷載來模擬水力劈裂的作用。工況3的結果如圖4所示,可以看出,較工況2的結果,工況3下的壩體受損更嚴重,壩底及上游折坡點的混凝土損傷量達到0.8至0.96,壩體上游面也出現(xiàn)損傷,壩頸損傷區(qū)域上下游連通,可以得出結論:水力劈裂在余震中對壩體的損傷有較大危害。
圖4 水力劈裂及余震損傷結果
本文以某高混凝土重力壩為研究對象首先討論主震對壩體的損傷,再展開水力劈裂和余震對壩體共同作用的研究,得到以下結論:
1)0.399g峰值加速度的主震對壩體造成了輕微損傷,雖然壩踵、壩趾的損傷量較大,但受損混凝土面積較小,對大壩安全性不構成危害。
2)0.339g峰值加速度的余震加劇了壩體損傷,壩底大面積受損,壩頸小范圍受影響。
3)考慮水頭劈裂的余震對壩體損傷最嚴重,壩底及壩體上游面大范圍受損,壩頸出現(xiàn)上下游連通的損傷區(qū),判定水力劈裂對主震損傷混凝土重力壩存在較大安全隱患,因采取相應措施。