土質(zhì)邊坡剖面上動(dòng)力響應(yīng)異常點(diǎn)與潛在滑動(dòng)面位置的關(guān)系研究.docx

1、第31卷第1期2009年3月西北地震學(xué)報(bào)NORTHWESTERNSEISMOLOGICALJOURNALVol.31No.1March,2009土質(zhì)邊坡剖面上動(dòng)力響應(yīng)異常點(diǎn)與潛在滑動(dòng)面位置的關(guān)系研究任自銘，馮仲林，殷世林(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南鄭洲450003)摘要：通過(guò)數(shù)值分析對(duì)土質(zhì)邊坡動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在土質(zhì)邊坡割面上動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)分布異常的地方跟通常認(rèn)為的潞在滑動(dòng)面有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說(shuō)明在坡體內(nèi)發(fā)生較大剪應(yīng)變處土體的動(dòng)力特性可能已經(jīng)發(fā)生改變，從而使動(dòng)力傳遞異常。關(guān)鍵詞：動(dòng)力響應(yīng)；剪應(yīng)變集中區(qū)；動(dòng)力特性；土質(zhì)邊坡；滑動(dòng)面中圖分類號(hào)：P642.22文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：100

2、00844(2009)01-002105RelationshipbetweentheAnomalousPointsofDynamicResponseandtheLocationofPotentialSlidingSurfaceonSectionofSoilSlopeRENZi-ming,FengZhong-lin,YinShi-Iin(YellowRiverEngineeringConsultingCo.Zhengzhou450003,China)Abstract：Usingnumericalanalysisonthelawofdynamicresponseofsoilslope,itisfo

3、undthatthereisagoodcorrespondingrelationshipbetweentheanomalouspointsofdynamicresponseandthelocationofpotentialslidingsurfaceonsoil-slopesection.Itshowsthatthedynamicproperlyofsoilwherehighshearstrainhashappenedmayhavechangedintheslope,andcausedthedynamictransmissionabnormal.Keywords:Dynamicresponse

4、s；Concentratedregionofshearstrain；Dynamicproperty；Soilslope;Slidingsurface收稿日期：2008-04-18作者簡(jiǎn)介：任自留男（漢族.河南禹州人，碩士，助工.主要從耶路橋設(shè)計(jì).0引言邊坡動(dòng)力問(wèn)題歷來(lái)是巖土工程和地震I:程中關(guān)心的重點(diǎn)問(wèn)題之一，邊坡動(dòng)力響應(yīng)研究是邊坡動(dòng)力問(wèn)題研究的重要方面。地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)方向是任意的，所以邊坡所承受的地震動(dòng)荷載的作用方向也是任意的。但因?yàn)檫吰率Х€(wěn)是向臨空面的滑移、垮塌，所以水平向外方向的地震作用是斜坡破壞的主要原因。地震作用的表征因子很多，例如位移、速度、加速度等。根據(jù)祁生文等的研究，在地震動(dòng)作

5、用下邊坡對(duì)地震作用在豎直向和水平向均存在放大作用，而旦它們?nèi)叩姆逯迪鄬?duì)坡腳的放大系數(shù)在邊坡剖面上的分布規(guī)律是有一定差異的。但是因?yàn)榧铀俣戎凳且粋€(gè)過(guò)程值，可根據(jù)它計(jì)算出動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)變等，所以通常被認(rèn)為是地震響應(yīng)的控制指標(biāo)。本文通過(guò)FLAC3D采用時(shí)程分析法對(duì)不同坡高和坡度的邊坡在不同烈度的地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)做了大量的數(shù)值模擬，把邊坡剖面上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在水平向坡外方向上的加速度峰值（PGA）作為主要控制參數(shù)，并做對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)邊坡剖面上PGA分布異常點(diǎn)與潛在滑動(dòng)面位置存在很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系1FLAC3D動(dòng)力計(jì)算方法1.1邊界條件的設(shè)置FLAC3D中求解動(dòng)力問(wèn)題的邊界條件設(shè)置有遠(yuǎn)置人工邊界（截?cái)噙吔纾┖?/p>

6、粘滯邊界兩種。如果采用截?cái)噙吔?，為使其?duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的影響變小，就要求把模型的邊界取得足夠遠(yuǎn)，把模型的范圍取得足夠大，從而使邊界反射的影響盡可能的小。由于邊坡是自然地質(zhì)體的一部分，其模型究竟取多大才能消除邊界的影響，目前還不清楚，所以采用遠(yuǎn)置人工邊界條件的辦法不可取。粘滯邊界通過(guò)在邊界的法線方向和水平方向上設(shè)置獨(dú)立的粘壺得以實(shí)現(xiàn)，以便吸收來(lái)自模型內(nèi)部的入射波。這種方法易于在時(shí)域進(jìn)行操作，在有限元和有限差分中的有效性已經(jīng)被證明。在FLAC3D中可用粘滯邊界有兩種，即安靜邊界(QuietBoundaries)和自由場(chǎng)邊界(Free-fieldBoundaries)0安靜邊界完全吸收向外傳遞的波，而

7、自由場(chǎng)邊界既可保持邊界不反射波的屬性，并且對(duì)向外傳遞的波適當(dāng)?shù)匚?。主網(wǎng)格的側(cè)邊界與自由場(chǎng)邊界通過(guò)黏性緩沖器結(jié)合起來(lái)，來(lái)自自由場(chǎng)網(wǎng)格的不平衡力施加到主網(wǎng)格邊界上，這樣，平面波向上傳遞時(shí)就不會(huì)在邊界失真一般情況下，邊坡模型底面設(shè)置安靜邊界，模擬基礎(chǔ)下部無(wú)限深的區(qū)域；周邊采用自由場(chǎng)邊界，與底面的安靜邊界結(jié)合使邊坡基礎(chǔ)部分置于一個(gè)半空間無(wú)限的自然地質(zhì)體內(nèi)，以更接近實(shí)際。1.2土體力學(xué)模型和屈服準(zhǔn)則在動(dòng)荷載作用下土的變形包括彈性和塑性變形兩部分。動(dòng)荷載較小時(shí)主要為彈性變形，動(dòng)荷載增大時(shí)塑性變形逐漸產(chǎn)生和發(fā)展。數(shù)值模擬中，采用理想彈塑性本構(gòu)模型，屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，屈服函數(shù)如下

8、：代=。Np+2c-/N7(1)fx=6_a'(2)式中外、b3分別為最大、最小主應(yīng)力；甲為摩擦角；c為粘聚力；/為土體抗拉強(qiáng)度；N=?+血(3)當(dāng)土體內(nèi)某一點(diǎn)應(yīng)力滿足/s<0時(shí)，發(fā)生射切破壞；當(dāng)滿足九>0時(shí)，發(fā)生拉伸破壞。1.3動(dòng)荷載的施加動(dòng)力模擬采用時(shí)程分析法。由于模型底面設(shè)置安靜邊界，所以輸入地震動(dòng)荷載只能為應(yīng)力時(shí)程。一般研究資料會(huì)給定加速度波，可通過(guò)時(shí)域積分得到速度時(shí)程，再通過(guò)下式轉(zhuǎn)換得到應(yīng)力時(shí)程由模型底面輸入：(bs=2(，s)sJ(4)on2(cCP)vn其中:p為材料密度；Cp為P波波速；Cs為S波波速；*為質(zhì)點(diǎn)法向速度；u為質(zhì)點(diǎn)切向速度；為切向應(yīng)力；g為法向

9、應(yīng)力。2FLAC3D計(jì)算方法的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證2.1試驗(yàn)設(shè)備與模型本次試驗(yàn)的激振設(shè)備是大型電液式地震模擬振動(dòng)臺(tái)，臺(tái)面尺寸為4mX2m,承重達(dá)25to激振頻率為015Hz；最大輸出加速度1.2g；傳感器選用CSLAS式加速度計(jì)；采用自動(dòng)采集設(shè)備同步記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖鋬?nèi)部?jī)舫叽?mXl.5mX2m(長(zhǎng)X寬X高)，利用高強(qiáng)合金鋼制剪切槽組裝而成。內(nèi)套特制橡膠膜套筒，減小振動(dòng)波的反射。兼顧振動(dòng)臺(tái)負(fù)載能力及模型箱尺寸，本實(shí)驗(yàn)幾何尺寸相似比取為10,模型中央橫截面具體尺寸及坡面加速度計(jì)(圖中填充的點(diǎn))布置如圖1示，自下而上編號(hào)為1、2、3、4、5、6,臺(tái)面加速度計(jì)編號(hào)為0,加速度計(jì)均水平放置。圖1試

10、驗(yàn)?zāi)Ｐ椭薪孛娉叽缂皽y(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1Thesectionoftestmodelanddistributionofsensors.2.2試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)由相似率計(jì)算結(jié)果知,模型在以10*5.62為相似比壓縮的加速度波的激勵(lì)下的動(dòng)力響應(yīng)與原型在原波激勵(lì)下的動(dòng)力響應(yīng)一致。實(shí)驗(yàn)荷載采用根據(jù)場(chǎng)地地震反應(yīng)譜人工合成的加速度波壓縮5.62倍生成的壓縮波，峰值分別為0.065g、0.253g和0.471g,壓縮時(shí)幅值不變。試驗(yàn)過(guò)程中動(dòng)態(tài)采集各測(cè)點(diǎn)響應(yīng)時(shí)程，統(tǒng)計(jì)施加荷載加速度峰值為0.065g和0.253g時(shí)各測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)峰值。2.3數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果把圖1中尺寸均放大10倍，材料參數(shù)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及相似率要求用FLA

11、C3D建模計(jì)算。底面設(shè)安靜邊界，四周設(shè)自由場(chǎng)邊界，模型如圖2。用峰值為0.065g和0.253g的原波積分得到圖2數(shù)值模擬邊坡模型示意圖Fig.2Dynamicnumericalsimulationmodeloftheslope.速度波，再通過(guò)式(4)式分別轉(zhuǎn)換得到應(yīng)力時(shí)程從模型底面輸入，統(tǒng)計(jì)各測(cè)點(diǎn)水平向加速度時(shí)程峰值。把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果匯總?cè)鐖D3示，其中數(shù)值計(jì)算中的相對(duì)高程均換為對(duì)應(yīng)模型試驗(yàn)中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)高程。由圖可見(jiàn)二者對(duì)應(yīng)良好。所以用FLAC3D做土質(zhì)邊坡的動(dòng)力響應(yīng)分析是合理并且足夠精確的。2.5r愧佞安水平PGA/m-<0.065g計(jì)棄一0.065g試臉0.253g計(jì)算A0.2

12、538試驗(yàn)圖3FLAC'd模擬與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的坡面PGAFig.3PGAalongslopesurfacebyFLAC3Dandthetest.3計(jì)算模型的建立3.1材料參數(shù)和地震動(dòng)荷裁的選取選用規(guī)范中材料實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一種：/=19kN/m3jc=21kPa;4>=21°24模最取值為：K=6.66E7,G=3.077E7o選取美國(guó)1940ELCentro地震波調(diào)整加速度峰值至0.1g,0.2g，分別對(duì)應(yīng)烈度為度地震強(qiáng)度的加速度時(shí)程,然后時(shí)域積分得到速度時(shí)程，再通過(guò)式(4)轉(zhuǎn)換得到應(yīng)力時(shí)程由模型底面輸入。3.2邊坡剖面設(shè)計(jì)根據(jù)文獻(xiàn)2的研究，粘滯邊界設(shè)置的遠(yuǎn)近對(duì)對(duì)邊坡動(dòng)力響應(yīng)

13、的結(jié)果影響很小，況且本文的研究只需得出分布規(guī)律，而非具體的響應(yīng)數(shù)值，所以邊界無(wú)須設(shè)置過(guò)遠(yuǎn)而增加計(jì)算負(fù)擔(dān)。本文模型的邊界范圍取為：基礎(chǔ)厚度取坡高的一倍，在邊坡兩側(cè)也各加寬坡高的一倍。對(duì)于土質(zhì)順直邊坡來(lái)說(shuō)，由于材料參數(shù)已經(jīng)給定，所以在坡高一定時(shí)，邊坡能否穩(wěn)定就僅僅取決于坡度。例如對(duì)于30m高邊坡來(lái)說(shuō)，當(dāng)坡度達(dá)到40°時(shí)，在靜力作用下已經(jīng)出現(xiàn)如圖4所示的貫通的剪應(yīng)變集中帶，即通常認(rèn)為的潛在滑動(dòng)面，對(duì)此再進(jìn)行動(dòng)力分析已沒(méi)有意義。圖430m-40°邊坡在重力作用下剪應(yīng)變?cè)隽吭茍DFig.4Shear-strainincrementcontourofslopundergravity(30

14、m-40°)對(duì)于20m高的邊坡，當(dāng)坡度達(dá)到45°時(shí)也是同樣的情況。所以設(shè)計(jì)邊坡高度和坡度如表1。«1設(shè)計(jì)邊坡坡形坡ft/m2030坡度/.153040202530353.3監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置根據(jù)大量計(jì)算結(jié)果，潛在滑動(dòng)面均位于距坡面一倍坡高范圍以內(nèi)。所以本文在邊坡的剖面上距臨空面一倍坡高范圍內(nèi)劃分5mX5m的格子，把網(wǎng)格點(diǎn)及水平網(wǎng)格線與坡面線的交點(diǎn)設(shè)置為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以20m-40°和30m-35°邊坡為例示意如圖5(a)、(b).(b)30m-35。圖5邊坡割面及測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.5Middlesectionofthenumericalmodelanddi

15、stributionofmonitoringpoints.4計(jì)算結(jié)果分析4.1水平方向PGA統(tǒng)計(jì)分析在動(dòng)力計(jì)算過(guò)程中，跟蹤這些點(diǎn)的加速度響應(yīng)，然后統(tǒng)計(jì)各響應(yīng)時(shí)程的峰值。限于篇幅，本文僅以曲線圖統(tǒng)計(jì)顯示20m-1520m-4030m-20°和30m-35°四個(gè)模型在施加地震烈度相當(dāng)于切度時(shí)的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)加速度峰值（圖6（a、（b）、（c）、（d）°由圖可以清晰地看出：在20m-15°和30m-20°兩個(gè)模型中，隨著高程的增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)的PGA是逐漸增大的；位于同一相對(duì)高程的監(jiān)測(cè)點(diǎn)自坡體內(nèi)至臨空面呈現(xiàn)平緩增加的趨勢(shì)，這說(shuō)明坡體內(nèi)的動(dòng)力響應(yīng)的確存在豎直

16、和水平方向的放大作用，再次驗(yàn)證r前人的研究成果。但是在20m-40°和30m-35°兩個(gè)模型中，某些點(diǎn)出現(xiàn)了突然增加的異常現(xiàn)象，并且突變點(diǎn)右邊，即同一高程內(nèi)更接近臨空面的點(diǎn)的PGA的分布也變得雜亂無(wú)章。4.2剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D確定邊坡的變形破壞范圍是進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的和防治工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。李國(guó)琛等通過(guò)研究認(rèn)為：就承受型性大變形的材料而言,原來(lái)平滑分布的變形模式被一種急劇不連續(xù)的位移梯度所取代，其特征是大量的剪切變形集中在相對(duì)狹窄的帶狀區(qū)域內(nèi)，邊界相對(duì)而言近乎平行。因而，對(duì)邊坡而言，可以通過(guò)尋找剪應(yīng)變集中帶的途徑來(lái)尋找可能的失穩(wěn)范圍和部位。土體剪切帶的形成與土體逐漸破損理論是當(dāng)今國(guó)

17、際力學(xué)界和巖土工程界共同關(guān)注的課題'。室內(nèi)試驗(yàn)土樣的剪切破壞、現(xiàn)場(chǎng)路基和地基的滑動(dòng)破壞以及山體運(yùn)動(dòng)的褶皺斷層等均可視作局部化剪切帶形成的現(xiàn)象。這種局部變形一旦發(fā)生，變形將會(huì)相對(duì)集中在局部化變形的區(qū)域內(nèi)，而區(qū)域外的變形相當(dāng)于卸載后的剛體運(yùn)動(dòng)。已有研究表明：在剪切破壞面上的強(qiáng)度是逐漸發(fā)揮的，即在剪切帶上土的強(qiáng)度不是同時(shí)發(fā)揮到最大值，土的逐漸性強(qiáng)度特性是剪切帶強(qiáng)度發(fā)揮的反映。非均勻變形的發(fā)展也使得整體上表現(xiàn)土的軟化性狀是與刊切帶產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)破壞直接相關(guān)。因此，巖土體的失穩(wěn)（特別是滑動(dòng)失穩(wěn)），都是沿剪應(yīng)變最大的部位發(fā)生。大量實(shí)例分析結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。查看各坡形在各種荷載條件下模擬結(jié)果的終態(tài)殘余

18、為應(yīng)變?cè)鲐?zé)云圖發(fā)現(xiàn)，在同樣的坡高和荷載強(qiáng)度下，隨著坡度的增大，殘余前應(yīng)變集中區(qū)有逐漸集中變窄、貫通的趨勢(shì)，如圖7（a）、（b）、（c）、（d）依次為在地震荷載相當(dāng)于H度時(shí)20m-1520m-4030m-20°和30m-35°模型的殘余剪應(yīng)變?cè)茍D，均反映了這一趨勢(shì)。這也說(shuō)明坡度越小，最大剪應(yīng)變減小，集（d）30m-35°圖6邊坡刮面上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平PGA分布曲線（各條曲線代表相對(duì)坡腳的不同高程）Fig.6ThePGAvaluecurvesatmonitoringpointsinhorizontaldirectionalongslopesurface.魚1期中區(qū)收縮，對(duì)

19、邊坡的穩(wěn)定性影響減小，邊坡也就越趨于穩(wěn)定。4.3對(duì)比分析把圖7(b)和圖7(d)的終態(tài)此應(yīng)變?cè)隽考袔?，即潛在滑?dòng)面勾出.與布置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置對(duì)比，結(jié)果如圖5(a).(b)所示，其中填充的監(jiān)測(cè)點(diǎn)即為上述的PGA分布突變點(diǎn)?？梢?jiàn)突變點(diǎn)與帶狀的殘余剪應(yīng)變集中區(qū)具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。用同樣的方法對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在相當(dāng)于度地震強(qiáng)度的荷載作用下坡度為30°的20m和30m邊坡均存在同樣的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說(shuō)明這種對(duì)應(yīng)不是偶然的。(d)30m-35°圖7模型終態(tài)芽應(yīng)變堵量云圖Fig.7Shear-strainincrementcontourintheterminalstate.255結(jié)束語(yǔ)要搞清地震作用

20、下邊坡的失穩(wěn)機(jī)理就必須對(duì)其響應(yīng)規(guī)律有足夠的認(rèn)識(shí)。由以上計(jì)算分析可知，當(dāng)土質(zhì)邊坡內(nèi)出現(xiàn)集中的殘余剪應(yīng)變區(qū)，也即邊坡出現(xiàn)潛在滑動(dòng)面而可能失穩(wěn)時(shí)，此處土體的動(dòng)力特性已經(jīng)改變，甚至已經(jīng)滑動(dòng)或者開(kāi)裂，以致于坡體內(nèi)的動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)的傳遞將在此處不再服從之前的規(guī)律而導(dǎo)致出現(xiàn)分布異常；反過(guò)來(lái)說(shuō)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到坡體內(nèi)某處的動(dòng)力傳遞或者響應(yīng)參數(shù)分布異常時(shí)，就說(shuō)明該處已經(jīng)發(fā)生了較大的乾應(yīng)變，當(dāng)異常點(diǎn)連線貫通時(shí)，邊坡將沿此連線失穩(wěn)。本文的研究既為邊坡的動(dòng)力響應(yīng)出現(xiàn)異常找到了原因，又為地震作用下邊坡失穩(wěn)時(shí)機(jī)及失穩(wěn)范圍提供了判據(jù)。參考文獻(xiàn)CU張倬元，王士天，王蘭生.編著.工程地質(zhì)分析原理M.北京：地質(zhì)出版社.1993,223-224.2 QiShengw