為探究堆積體邊坡在地震作用下的動力響應(yīng),借助基巖型堆積體邊坡模型試驗,并結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬軟件進行不同工況下的動力計算。研究表明,地震動參數(shù)、基覆界面傾角和界面力學(xué)參數(shù)等因素對邊坡加速度響應(yīng)產(chǎn)生重要影響。在地震動頻率接近邊坡固有頻率時,PGA“臨空放大”和“垂直放大”效應(yīng)更加顯著,而在較高地震頻率下,響應(yīng)強度主要集中于坡腳處。此外,隨著界面位置靠近坡頂或界面傾角增大,上覆土體的動力響應(yīng)也逐漸增強。
堆積體邊坡; 數(shù)值模擬; 動力響應(yīng)
P642.22A
[定稿日期]2023-04-04
[作者簡介]王童(1998—),男,碩士,從事教育工作。
0 引言
我國西南地區(qū)地震頻率高且強度大,下部為基巖,上部為松散堆積體的邊坡在我國西南地區(qū)分布廣泛,此類邊坡安全系數(shù)較低,很容易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。然而,目前有關(guān)堆積體邊坡動力響應(yīng)的相關(guān)研究成果中,地震實測資料較少,動力響應(yīng)規(guī)律的研究也不夠全面。至于地震誘發(fā)的邊坡失穩(wěn),目前存在多種解釋,尚未達成共識。此外,許多觀點仍處于試驗階段,需要更深入的災(zāi)害調(diào)研、更多的室內(nèi)模型試驗以及數(shù)值模擬來進行研究。
因此,對于堆積體邊坡在地震作用下的動力響應(yīng)有準確的認識,對于相關(guān)的邊坡工程設(shè)計、滑坡監(jiān)測和預(yù)測以及滑坡治理具有至關(guān)重要的意義。
針對堆積體邊坡的研究不足,采用FLAC3D數(shù)值軟件,重點探討了基覆型堆積體邊坡在地震作用下的加速度放大效應(yīng)。這項研究為自然界中堆積體邊坡在地震作用下的穩(wěn)定性提供了一定的參考價值,同時也可以為相關(guān)工程中面臨的滑坡災(zāi)害防治問題提供科學(xué)依據(jù)。
1 FLAC3D數(shù)值模型建立
本文的數(shù)值模型設(shè)計是基于作者所在課題組團隊進行的基覆型堆積體邊坡模型試驗,并參考了該試驗的幾何尺寸參數(shù)。然而,由于邊坡模型尺寸較小,在FLAC3D動力計算中需要使用時間步較小的計算參數(shù),這會降低計算效率。為了確保計算精度的同時節(jié)省計算時間,采用了相似關(guān)系對振動臺試驗?zāi)P椭械膮?shù)進行了放大,以保證模型尺寸合適。
考慮到堆積體邊坡上覆土體高度在10~70 m范圍內(nèi)[1],根據(jù)室內(nèi)模型試驗尺寸和參數(shù),對原始模型進行等比例放大以匹配真實尺寸的邊坡。取CH=0.01,Cγ=0.86,由于放大后堆積體的粘聚力和模量等參數(shù)數(shù)值與真實堆積體存在較大差異,故參照相關(guān)研究的堆積體的力學(xué)試驗結(jié)果[2-3],對部分參數(shù)采用真實土體參數(shù),巖土體的本構(gòu)模型采用莫爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型,具體的土體力學(xué)參數(shù)見表1。
圖1、圖2展示了動力分析的數(shù)值模型和監(jiān)測點布置。邊坡模型的固有頻率為5.2 Hz。采用頻率為3 Hz、幅值為0.1g的x方向正弦波作為外部激勵。該頻率低于邊坡的固有頻率,屬于低頻波。主要研究對象是低頻波對邊坡穩(wěn)定性的影響。地震波的波形如圖3所示。此外,與不規(guī)則荷載相比,正弦波參數(shù)更易于更改,數(shù)據(jù)處理結(jié)果也更加準確。
2 基覆型邊坡動力響應(yīng)規(guī)律
2.1 地震動頻率的影響
2.1.1 邊坡內(nèi)部水平方向的加速度放大效應(yīng)
為了研究地震波頻率對基覆型堆積體邊坡加速度放大效應(yīng)的影響,將輸入正弦波的峰值固定為0.1g,并設(shè)置了六種不同頻率(1 Hz、2 Hz、3 Hz、4 Hz、6 Hz、8 Hz)的工況。在邊坡剖面上,通過對坡體內(nèi)部監(jiān)測點得到的數(shù)據(jù)進行后處理,可以得到不同頻率下邊坡內(nèi)部水平方向的加速度放大系數(shù)等值線云圖,如圖4所示。
從圖4(a)~圖4(d)可以看出,當輸入地震波的頻率在1~4 Hz之間時,加速度放大效應(yīng)在剖面上表現(xiàn)為隨高程的增大而增大。在水平方向上,基巖內(nèi)水平放大現(xiàn)象被抑制,而在上覆土體中表現(xiàn)為沿水平方向先減小再增加。隨著頻率的增加,這種現(xiàn)象變得越來越明顯,整體表現(xiàn)為低邊坡動力反應(yīng)形式[4]。
從圖4(e)~圖4(f)可以看出,當輸入地震波的頻率在6~8 Hz之間時,邊坡的加速度放大系數(shù)在邊坡剖面上呈現(xiàn)出節(jié)律性的變化,屬于高邊坡動力反應(yīng)形式。隨著輸入頻率增加,邊坡沿高程方向的放大效應(yīng)開始減弱,坡體內(nèi)部出現(xiàn)加速度衰減區(qū)域。衰減區(qū)域隨著頻率的增加而范圍越來越廣,整體放大效應(yīng)減弱。當頻率達到8 Hz時,只有近坡坡表存在放大效應(yīng),而且集中在坡肩和坡腳處。
2.1.2 坡面和界面處動力響應(yīng)差異對比
繪制邊坡和基覆界面處的放大系數(shù)隨著頻率變化的規(guī)律曲線,以呈現(xiàn)沿高程各監(jiān)測點的放大效應(yīng)。如圖5(a)~圖5(b)所示。
圖5揭示了輸入地震波頻率與邊坡上土體加速度放大系數(shù)之間的關(guān)系。當輸入地震波頻率為1~2 Hz時,邊坡土體處于線彈性階段,因此坡面和界面處放大效應(yīng)不明顯。然而,當輸入地震波頻率為3~4 Hz時,坡面中下部加速度放大系數(shù)沿坡面緩慢增加,而坡高0.4H以上的加速度放大系數(shù)急劇增加。此時上覆土體處于非線性變形階段,且土體非線性響應(yīng)最強位置發(fā)生在坡肩位置。此外,當輸入地震波頻率為6~8 Hz時,土體存在高頻濾波作用,導(dǎo)致坡中下部放大效應(yīng)減弱。此時,在水平方向上,坡面整體的加速度放大系數(shù)大于界面的放大系數(shù)。此外,當輸入頻率增大時,上覆土體的加速度效應(yīng)逐漸減弱,在8 Hz時,坡面0.6H和界面沿高程0.2~0.8H出現(xiàn)加速度放大系數(shù)小于1,出現(xiàn)加速度衰減現(xiàn)象。
與孫志亮等[5]圖5(c)~圖5(d)在堆積體邊坡模型試驗研究結(jié)果進行對比后,發(fā)現(xiàn)規(guī)律具有一致性:當?shù)卣鸩ㄗ吭筋l率大于邊坡基頻時,邊坡放大效應(yīng)不明顯,甚至存在衰減作用;而當輸入地震波卓越頻率略小于邊坡基頻時,加速度放大效應(yīng)顯著增強,輸入地震波卓越頻率越大放大效應(yīng)越顯著。
2.2 地震動幅值的影響
為探究地震動幅值對堆積體邊坡加速度放大效應(yīng)的影響,將輸入正弦波頻率固定為3 Hz,并分別設(shè)置四種不同工況下的幅值,分別為0.1g、0.2g、0.3g和0.4g。
2.2.1 邊坡剖面動力響應(yīng)分布規(guī)律
根據(jù)圖6可知,基巖中的放大效應(yīng)隨高程的增加單調(diào)遞增,水平方向上的放大效應(yīng)被抑制;在上覆土體中,土體放大效應(yīng)隨高程增大而增強,在水平方向上,界面和坡面附近的放大效應(yīng)更為明顯。隨著地震波幅值的增大,基巖中的放大效應(yīng)變化不明顯;上覆土體中沿高程方向的放大效應(yīng)受到抑制,反之,表層效應(yīng)變得更加顯著。
2.2.2 坡面和界面處動力響應(yīng)差異對比
根據(jù)圖7(a)所示,坡面沿高程方向加速度放大系數(shù)表現(xiàn)出較強的非線性,呈現(xiàn)先增后減的趨勢,最大值出現(xiàn)在0.6H處。隨著地震波振幅的增大,坡面加速度放大效應(yīng)呈現(xiàn)明顯的遞增趨勢,但在0.4g地震波下,放大效應(yīng)在0.6H處減弱。這種現(xiàn)象可以解釋為土體在地震作用下,剪應(yīng)變增大,剪切模量降低,阻尼增大,這一結(jié)論與Lin M.L.等在文獻[6-8]中的研究結(jié)果相一致。圖7(b)表明,界面沿高程方向,坡體加速度峰值放大系數(shù)逐漸增大。隨著地震波振幅的增大,放大效應(yīng)變化不明顯。
2.3 界面摩擦特性的影響
為了探究基覆界面摩擦特性對基覆型堆積體邊坡加速度放大效應(yīng)的影響,本研究采用輸入頻率為3 Hz、幅值為0.1g的正弦波進行實驗。在固定頻率的條件下,設(shè)置基覆界面摩擦角度分別為25°、30°和40°這三種工況。
2.3.1 邊坡剖面動力響應(yīng)分布規(guī)律
根據(jù)圖8所示,可以得出結(jié)論:界面摩擦系數(shù)的變化僅對上層土體的放大效應(yīng)產(chǎn)生影響,對基巖的影響不大。隨著界面摩擦系數(shù)的逐漸增大,上層土體的趨向表面效應(yīng)逐步增強,同時在基巖和上層土體之間的界面處的高程效應(yīng)也變得更加顯著。
2.3.2 坡面和界面處動力響應(yīng)差異對比
從圖9(a)所示的數(shù)據(jù)可以推斷出,隨著界面摩擦角的增大,坡面附近的放大效應(yīng)在0.4H以下的變化不太顯著,但在0.4H以上,加速度放大效應(yīng)變得更強烈,達到最大值2.4,這表明坡面的加速度放大效應(yīng)隨著界面摩擦角的增大而變得更加明顯。此外,從圖9(b)所示的數(shù)據(jù)可以得知,當界面摩擦角為30°和40°時,界面沿高程方向的放大響應(yīng)呈線性增加,兩者之間的差異不明顯。但是,當界面摩擦角為25°時,放大系數(shù)在0.4H以上出現(xiàn)了明顯的突變,表明在這一區(qū)域發(fā)生了非線性變形。因此,可以得出結(jié)論:隨著界面摩擦角的減小,界面處的加速度放大效應(yīng)越來越明顯。
2.4 界面傾角的影響
通過施加2 Hz頻率、0.1g振幅的正弦波,以表2中的模擬方案為基礎(chǔ),通過改變界面傾角,研究界面結(jié)構(gòu)特性對于基覆型堆積體邊坡加速度放大系數(shù)的影響。
2.4.1 邊坡剖面動力響應(yīng)分布規(guī)律
根據(jù)圖10的分析結(jié)果可知,當基覆界面的傾角越接近于坡面傾角時,基巖中的水平放大效應(yīng)越加明顯。圖10(b)與圖10(c)工況的對比表明,圖10(c)工況中上覆土體的動力放大效應(yīng)要強于圖10(b)工況,這說明了基覆界面位置越接近于坡頂時,界面上覆土體的動力響應(yīng)會變得更加強烈。這些結(jié)論與孫進忠等[9]所做的研究結(jié)果一致,證明了巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)面對邊坡動力響應(yīng)的影響是顯著的。
2.4.2 坡面和界面處動力響應(yīng)差異對比
根據(jù)圖11的實驗結(jié)果,可以得出結(jié)論:當保持傾角θ2不變時,隨著傾角θ1的增大,沿坡面方向的放大效應(yīng)逐漸增強,加速度放大系數(shù)的最大值也從1.06增加到1.236。另一方面,當保持傾角θ1不變時,隨著傾角θ2的增大,沿坡面方向的放大效應(yīng)逐漸減小,加速度放大系數(shù)的最大值也從1.236減小到1.188。因此,可以得出結(jié)論:傾角θ1的變化對于加速度放大系數(shù)的影響要比傾角θ2更加顯著。此外,沿界面方向,隨著傾角θ1的增大,界面放大效應(yīng)也逐漸增強;而隨著傾角θ2的增大,界面放大效應(yīng)的變化不明顯。
3 結(jié)束語
為了確保計算效率,本文采用了試驗中的概化模型,按照相似理論進行尺度放大,研究了地震動參數(shù)、基覆界面傾角和界面力學(xué)參數(shù)等因素對基巖型堆積體邊坡加速度響應(yīng)的影響。研究結(jié)果表明:
(1)隨著地震波幅值的增大,基巖中的放大效應(yīng)變化不大,而上覆土體的趨表效應(yīng)變得更加明顯。此外,坡面加速度放大效應(yīng)呈現(xiàn)明顯的遞增趨勢,而界面附近土體的放大效應(yīng)變化不明顯。
(2)當輸入頻率小于邊坡自振頻率時,邊坡放大效應(yīng)呈現(xiàn)“趨表”和“趨頂”現(xiàn)象,屬于低邊坡動力反應(yīng)形式。隨著輸入頻率的增加,邊坡整體沿高程方向加速度放大效應(yīng)越來越明顯。當輸入頻率大于邊坡自振頻率時,邊坡的加速度放大系數(shù)在邊坡剖面呈現(xiàn)節(jié)律性的變化,屬于高邊坡動力反應(yīng)形式,坡面和界面沿高程方向放大效應(yīng)呈現(xiàn)先增后減再增的規(guī)律。隨著輸入頻率增加,上覆土體的加速度效應(yīng)減弱越明顯,放大效應(yīng)集中在坡肩和坡腳處。
(3)界面摩擦的改變只影響上覆土體的放大效應(yīng),對基巖影響不大。隨著界面摩擦角的增大,上覆土體的趨表效應(yīng)逐漸增強,坡面加速度放大效應(yīng)越明顯,而界面附近土體的加速度放大效應(yīng)減弱。
(4)基覆界面對于上覆土體的動力響應(yīng)特征有著明顯的影響。當界面位置越接近坡頂時,界面上覆土體的動力響應(yīng)越強烈。在坡面方向上,坡面放大效應(yīng)隨傾角θ1的增大而增強,隨傾角θ2的增大而減弱;而界面放大效應(yīng)隨傾角θ1的增大而增強,而與θ2的變化關(guān)系不明顯。
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