土工織物在尾礦壩地震反應(yīng)中的作用

土工織物在尾礦壩地震反應(yīng)中的作用

設(shè)計(jì)人員注意到了地震下壩的破壞。對(duì)尾礦壩來(lái)說(shuō),地震危害主要表現(xiàn)為:永久變形和不均勻沉降引起的裂縫;地震反應(yīng)造成較大的應(yīng)力和應(yīng)變,降低壩體的穩(wěn)定性;在壩體和壩基存在可液化砂土?xí)r,地震中砂土可能發(fā)生液化,嚴(yán)重威脅工程安全。尾礦壩的動(dòng)力安全性與壩體、壩基土體的工程特性有密切關(guān)系,土體的工程特性好,則動(dòng)力安全性高,特別是對(duì)于可液化砂土,如果其密實(shí)度低,則地震發(fā)生液化的風(fēng)險(xiǎn)就高。我國(guó)大量尾礦壩是按上游式修建的,壩體施工質(zhì)量普遍較差,有些壩基、壩體為易液化的土層,而且很多的壩址處在地震烈度較高地區(qū)。近年來(lái),有學(xué)者對(duì)尾礦壩筑壩材料靜動(dòng)力特性、壩體動(dòng)力反應(yīng)、穩(wěn)定性分析等已進(jìn)行了一些研究,取得一些進(jìn)展,一定程度上豐富和完善了尾礦壩抗震設(shè)計(jì)理論和方法。工程結(jié)構(gòu)和建筑物的抗震能力在一定程度上依靠正確的抗震設(shè)計(jì)和設(shè)置有效抗震措施來(lái)獲得。然而,有關(guān)尾礦壩抗震措施方面的研究很少。因此,研究尾礦壩的抗震措施及其抗震效果具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。本文采用動(dòng)力非線性有限元法,研究了尾礦壩的地震反應(yīng)、超孔隙水壓力的發(fā)展過(guò)程和變形特征,分析了土工織物減小尾礦壩地震變形的效果,最后提出了一種尾礦壩綜合抗震措施。1pastor-zenkiel-模型及參數(shù)對(duì)飽和土體的廣義Biot動(dòng)力固結(jié)方程進(jìn)行空間域離散,引入系統(tǒng)阻尼并寫成矩陣形式:Mu¨?+Cu?+∫ΩBTσ′dΩ?Qpˉ?f(1)=0(1)Mfu¨?+QTu?+Sp?+Hpˉ?f(2)=0(2)Μu¨-+Cu?+∫ΩBΤσ′dΩ-Qpˉ-f(1)=0(1)Μfu¨-+QΤu?+Sp?+Ηpˉ-f(2)=0(2)式中M為土體的質(zhì)量矩陣;C為阻尼矩陣;Q為耦合矩陣;f(1)為土體的荷載向量;Mf為流體的質(zhì)量矩陣;S為流體的壓縮矩陣;H為流體的滲透矩陣;f(2)為流體的荷載向量;B為應(yīng)力應(yīng)變矩陣;u¨?u¨-、u?u?、uˉuˉ分別為加速度、速度和位移向量;p?p?為單位時(shí)間節(jié)點(diǎn)孔隙水壓力增量;pˉpˉ為節(jié)點(diǎn)孔隙水壓力向量;σ′為有效應(yīng)力。Pastor-ZienkiewiczMark-Ⅲ模型是很少幾個(gè)能模擬循環(huán)荷載下或液化時(shí)砂土反應(yīng)特性的模型之一。這個(gè)模型建立在廣義塑性理論基礎(chǔ)上,避免了對(duì)體積硬化參數(shù)的假定。模型比較簡(jiǎn)單,沒(méi)有直接使用塑性屈服面。模型需要12個(gè)參數(shù):Mg、Mf、αg、αf、K0、G0、β0、β1、H0、Hu0、γu、γDM。其中,Mg為加載方向的參考應(yīng)力比;Mf為流動(dòng)方向的參考應(yīng)力比;αg、αf為強(qiáng)度參數(shù);β0、β1為常數(shù);K0、G0、H0、Hu0、γu、γDM為模量參數(shù)。英國(guó)伯明翰大學(xué)ChanAHC教授在廣義Biot固結(jié)原理的基礎(chǔ)上開發(fā)了彈塑性有限元分析程序SWANDYNE,并在其中實(shí)現(xiàn)了Pastor-ZienkiewiczMark-Ⅲ廣義塑性模型。Ghosh、Aydingun等用SWANDYNE程序?qū)σ恍┩馏w液化問(wèn)題進(jìn)行了研究。劉華北等人采用SWANDYNE程序?qū)Φ叵陆Y(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)、液化上浮進(jìn)行了分析。這些研究結(jié)果表明,基于動(dòng)力固結(jié)方程和Pastor-ZienkiewiczMark-Ⅲ模型的排水有效應(yīng)力分析方法能夠很好地模擬飽和砂土在地震荷載作用下孔隙水壓力的產(chǎn)生、擴(kuò)散和消散過(guò)程。由于SWANDYNE的程序設(shè)計(jì)和前后處理較為復(fù)雜,不便于修改和使用,單元類型也相對(duì)較少,鄒德高等人將其中Pastor-ZienkiewiczMark-Ⅲ模型采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM(jìn)行封裝,引入其開發(fā)的GEODYNA中,并在穩(wěn)定性方面進(jìn)行了改進(jìn),本文使用GEODYNA進(jìn)行數(shù)值分析。2計(jì)算模型和參數(shù)2.1計(jì)算模型的建立以某尾礦壩為例,根據(jù)尾礦庫(kù)標(biāo)高(+350m)構(gòu)建計(jì)算模型,如圖1所示。主壩體高28m,壩頂寬5m,浸潤(rùn)線距離壩坡3m,外坡比為1∶3,上游式修筑。圖1所標(biāo)示節(jié)點(diǎn)和單元為結(jié)果分析時(shí)的時(shí)程監(jiān)測(cè)點(diǎn)。2.2geodyna的測(cè)量根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,模型參數(shù)取值為:Mg=1.15,Mf=0.65,αg=αf=0.45,K0=37.5,G0=22.5,β0=4.2,β1=0.2,H0=600,Hu0=4×106,γu=2,γDM=0,天然容重γ=17.8kN/m3,飽和容重γm=21.76kN/m3,孔隙率n=0.42,滲透系數(shù)k=1×10-6m/s。與SWANDYNE一樣,GEODYNA在時(shí)間域內(nèi)的離散也采用廣義Newmark法(GNpj)。使用GN22法求位移,使用GN11法求壓力。2.3土體剪切波隨加速度載荷的變化地震波采用Kobe波NS分量,保持其周期特性不變,加速度峰值調(diào)整到0.2×9.8m/s2,見(jiàn)圖2,地震波作為剪切波由土層底部的剛性邊界輸入,土體的阻尼比均為5%。3結(jié)果分析3.1壩體網(wǎng)格變形圖3是圖1所標(biāo)示壩頂1231號(hào)節(jié)點(diǎn)的水平向加速度時(shí)程,從圖中看出,壩頂加速度峰值相對(duì)于輸入加速度峰值放大1.4倍。圖4是壩體網(wǎng)格變形,虛線表示原輪廓線。圖5是相應(yīng)的等值線圖,從圖中可見(jiàn)壩體主要變形發(fā)生在下游坡。圖6是尾礦壩上、下游坡超孔隙水壓力比的時(shí)程曲線,由圖6可知,從壩坡表面往下,超孔隙水壓力比逐漸減小,且上游坡的大于下游坡的,說(shuō)明上游區(qū)更易液化,已有尾礦壩抗震分析經(jīng)驗(yàn)也表明上游水邊線附近是最易液化區(qū)。3.2壩體加固后的變形分析在子壩區(qū)鋪設(shè)土工織物,織物的最大抗拉強(qiáng)度為15MPa,彈模為40MPa。圖7和圖8是鋪設(shè)織物后壩體的網(wǎng)格變形圖和水平位移等值線圖。對(duì)比圖5可見(jiàn)壩體加固區(qū)地震變形顯著減小,說(shuō)明鋪設(shè)土工織物提高了壩體的抗變形能力。圖9是壩頂位置加速度放大倍數(shù)隨深度的分布,可見(jiàn)壩體加固區(qū)的加速度放大倍數(shù)有一定程度地降低。圖10是壩頂加速度時(shí)程的比較,鋪設(shè)土工織物后壩頂加速度峰值放大兩倍。3.3療效判定標(biāo)準(zhǔn)從以上分析可知,在子壩區(qū)鋪設(shè)土工織物,工藝相對(duì)簡(jiǎn)單,同時(shí)對(duì)抑制壩體變形也能起到較好效果?；谏鲜龇治?提出一種綜合抗震措施,即在子壩區(qū)用土工織物加固,初期壩外坡施加反壓體,初期壩壩基易液化土層夯實(shí),加固示意如圖11所示。從圖11看出,設(shè)置綜合抗震措施后壩體變形顯著減小,說(shuō)明取得了較好的抗震效果。4子第三壩地震變形主要集中于下游本文以某上游式尾礦壩為例,采用動(dòng)力非線性有限元法,分析了壩體的地震反應(yīng)、變形、超孔隙水壓力的發(fā)展過(guò)程,研究了土工織物加固尾礦壩的抗震效果。根據(jù)計(jì)算結(jié)果的分析可以得出下列結(jié)論:壩頂加速度峰值相對(duì)于輸入加速度峰值放大1.4倍,地震變形主要集中于下游坡;壩體中超孔隙水壓力在開始時(shí)段迅速增大,隨后趨向平穩(wěn);從壩坡表面往下,超孔隙水壓力比逐漸