交通荷載作用下邊坡動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值分析①

蔡漢成,言志信,王群敏,梁曉波

(蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,甘肅蘭州 730000)

交通荷載作用下邊坡動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值分析①

蔡漢成,言志信,王群敏,梁曉波

(蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,甘肅蘭州 730000)

利用巖土數(shù)值分析軟件FLAC2D6.0對(duì)邊坡巖土體在不同交通荷載作用下動(dòng)力響應(yīng)做了數(shù)值分析。結(jié)果表明:在交通荷載作用下,巖土體的振動(dòng)加速度在震源附近最大,沿坡面向上以及向內(nèi)水平向逐漸減小;離震源越近衰減越快,隨著距離增大而逐漸變慢,并且交通荷載越大衰減的幅度越大;路面以上邊坡巖土體垂直加速度和水平加速度處于同一量級(jí),垂直加速度大于水平加速度;路面以下加速度比路面以上大一個(gè)量級(jí),水平加速度和垂直加速度處于同一量級(jí),并且水平加速度大于垂直加速度。研究結(jié)果對(duì)于評(píng)價(jià)交通荷載對(duì)邊坡巖土體的影響及邊坡的加固與治理具有一定的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

交通荷載;邊坡;動(dòng)力響應(yīng);振動(dòng)加速度;數(shù)值分析

Abstract:Numericalanalysis of the dynamic response for rock-soilmass slope under different traffic loads ismade,using num erical analysis of geo technical softw are FLAC2D6.0.The result indicates that under traffic loads,the vibration acceleration of rock-soilm ass near seismic source is them aximum,upalong slopeorinner slope in horizon tal direction it decreases gradually.Nearseismic source,the vibration attenuation ismore intense,and itgetsmoreweak as distance increases.The heavier the traffic load is the bigger the attenuating range is.Above the road the verticalacceleration and the horizontalacceleration in slope are in sam em agnitude,and the verticalone isbigger than the horizontalone.Them agnitude below the road is bigger than one above the road,the verticalacceleration and the ho rizontalacceleration are in sam em agnitude,and the horizontalone isbigger than the verticalone also.The resu lts have som e theoretical significance and projectapp lication for evaluating the in fluenceacting of traffic loadson rock-soil mass slope and considering how to reinforce and govern the slope under traffic loads.

Keywords:Traffic loads;Slope;Dynamicrespon se;Vibration accelera tion;Numericalanalysis

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,大量的公路、高速公路、鐵路等交通設(shè)施投入建設(shè),在山區(qū)產(chǎn)生了大量的人工邊坡。邊坡長(zhǎng)期處于交通荷載的振動(dòng)環(huán)境之中,在交通荷載反復(fù)作用下必然加劇巖土體強(qiáng)度的弱化,進(jìn)而產(chǎn)生疲勞破壞[1]。同時(shí)交通荷載長(zhǎng)期作用所產(chǎn)生的環(huán)境振動(dòng)的影響也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。然而,現(xiàn)有的研究成果大多都是交通荷載對(duì)路基和周圍建筑物影響的研究[2-7],采用數(shù)值方法研究邊坡在交通動(dòng)荷載作用下的響應(yīng)和穩(wěn)定性分析的文獻(xiàn)較為少見(jiàn)。

擬靜力法是分析邊坡地震穩(wěn)定性的常規(guī)方法,將地震作用簡(jiǎn)化為水平方向或垂直方向的大小不變的慣性力,作用于擬分析的邊坡巖土體。然后根據(jù)極限平衡理論將所有作用于潛在滑動(dòng)面上的力沿滑動(dòng)面分解,求出沿滑動(dòng)面的安全系數(shù)。但是擬靜力法無(wú)法全面考慮邊坡巖土體受動(dòng)荷載作用時(shí)不同高度和范圍內(nèi)的動(dòng)力響應(yīng)存在變異性和高程及水平放大效應(yīng)等特征。所以正確認(rèn)識(shí)交通荷載作用下邊坡動(dòng)態(tài)加速度響應(yīng)規(guī)律,對(duì)于進(jìn)一步分析和評(píng)價(jià)巖質(zhì)邊坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定性具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

簡(jiǎn)文斌[12]研究了邊坡對(duì)循環(huán)荷載的響應(yīng),但他只研究了公路面以上邊坡坡面上動(dòng)力響應(yīng),沒(méi)有研究坡面向內(nèi)水平方向以及路面下邊坡的動(dòng)力響應(yīng)。本文在已有相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上[8-12],以某公路路塹為例,采用美國(guó)ITASCA咨詢集團(tuán)開(kāi)發(fā)的二維快速拉格朗日程序FLAC2D(FastLagrangian Analysis of Continua)6.0中的動(dòng)力學(xué)模塊進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,研究路塹巖質(zhì)邊坡動(dòng)力響應(yīng)的分布規(guī)律,為合理評(píng)價(jià)交通荷載對(duì)邊坡巖土體的影響,優(yōu)化公路巖質(zhì)邊坡設(shè)計(jì)和加固措施,提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值分析模型

邊坡巖土體是一種具有非均質(zhì)、非連續(xù)、非線性等復(fù)雜特點(diǎn)的地質(zhì)體,并受特定的地質(zhì)環(huán)境條件、巖性組合、巖體結(jié)構(gòu)類型和工程特征如坡高、坡度、坡型等諸多因素的影響。在數(shù)值模擬中如果綜合考慮上述各種因素,將使問(wèn)題變得十分復(fù)雜。因此將巖石邊坡概化為均質(zhì)、連續(xù)的彈塑性模型。巖體的物理力學(xué)參數(shù)采用文獻(xiàn)[12]中的參數(shù),如表1所示。

表1 邊坡巖土體參數(shù)

1.1 數(shù)值模型

動(dòng)力分析過(guò)程一般分為兩個(gè)步驟:一定地質(zhì)條件下的靜力平衡計(jì)算與施加動(dòng)力荷載后的動(dòng)力反應(yīng)分析。在第一步中確定模型范圍、初始條件、材料類型、本構(gòu)模型以及模型的填筑、開(kāi)挖、襯砌等,也就是靜力作用下的平衡計(jì)算;第二步是在第一步計(jì)算的基礎(chǔ)上施加動(dòng)荷載,考慮動(dòng)力加載和動(dòng)力邊界、力學(xué)阻尼和地震波在介質(zhì)中的傳播。

某盤山公路邊坡坡高48m,坡角45°,建立的數(shù)值模型如圖1。為了保證波在模型中正確傳播,劃分網(wǎng)格最大尺寸為2m。模型采用平面應(yīng)變假設(shè)與摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)測(cè)。公路向上坡面設(shè)置6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),沿高程每4m一個(gè)(A 1-A 6);公路坡面向下設(shè)6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),沿高程每4m一個(gè)(B1-B6);坡面向內(nèi)水平方向設(shè)10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),每4 m一個(gè)(C1-C10)。

圖1 邊坡計(jì)算模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.1 The slopemodel for numerical simulation and distribution of monitoring points.

1.2 交通動(dòng)荷載和邊界條件

汽車同公路的相互作用是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。汽車行駛時(shí)速度范圍大,輪胎阻尼隨機(jī)性強(qiáng),路面不平整情況等因素都對(duì)汽車荷載及沖擊力有影響,荷載大小,空間分布均具有隨機(jī)性,準(zhǔn)確確定動(dòng)力荷載的量值非常繁瑣和困難[13]。樊秀峰[8]和葉四橋[13]、蒯行成[14]的研究結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖中可以看到汽車作用在路面的動(dòng)荷載反力類似于正弦波形式,所以用在模型中輸入的動(dòng)力荷載用正弦波的形式表達(dá)為

由于公路汽車荷載是一種隨機(jī)荷載,它隨車重量和速度的變化而變化,所以取在40～90 kN之間變化。

邊坡模型的邊界條件設(shè)定如下:公路和坡頂為自由表面;左側(cè)和右側(cè)邊界施加水平方向的位移約束,同時(shí)施加粘滯邊界條件;模型底部設(shè)置水平和垂直方向位移約束,施加粘滯邊界條件。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

2.1 向上坡面

圖3是公路向上坡面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)(A 1-A 6)在不同交通荷載作用下最大加速度與高程的關(guān)系圖,可看到最大水平和垂直加速度都隨高程的增大而逐漸減小。離公路越近(高程越低),荷載強(qiáng)度越大,衰減也快;隨著高程的增大衰減也越來(lái)越慢。計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[8]實(shí)測(cè)值所反映的規(guī)律一致。在相同交通振動(dòng)荷載作用下,相同高程測(cè)點(diǎn)的垂直加速度和水平加速度處于同一量級(jí),并且垂直加速度大于水平加速度。

圖2 車輛后輪動(dòng)反力和交通荷載作用下巖質(zhì)邊坡振動(dòng)加速度Fig.2 Time-history curve of at dynamic reaction vehic lerearwheel and vibration acceleration of slope under traffic load.

圖3 向上坡面不同荷載下最大加速度與測(cè)點(diǎn)高程關(guān)系Fig.3 Relationship between them aximum accelerations and the elevationsofmonitoring pointson the slope above the road under different loads.

圖4 向上坡面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大加速度與交通荷載最大振幅關(guān)系Fig.4 Relationships between them aximum acceleration ofmonitoring pointson the slope above the road and them axim umam plitudesof traffic loads.

圖4是公路向上坡面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大加速度和交通荷載最大振幅的關(guān)系圖,可以看到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直和水平加速度曲線都隨著交通荷載振幅的增大單調(diào)遞增,但沿坡面向上各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度曲線的斜率逐漸減小。即在相同的荷載作用下,距公路越近的點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)越敏感,增幅也越大。計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[8]實(shí)測(cè)值所反映的規(guī)律一致。文獻(xiàn)[12]所得出的邊坡巖土體振動(dòng)加速度隨交通荷載的增大呈線性增大的規(guī)律與本本文所得出的非線性規(guī)律并不矛盾,這是因?yàn)槲墨I(xiàn)[12]中振動(dòng)加速度是合成加速度,而本文中是將加速度分解為水平和垂直加速度來(lái)研究的。

2.2 向下坡面

圖5是公路向下坡面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)(B1-B 6)最大加速度與高程關(guān)系圖,可以看到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大水平和垂直加速度隨高程的減小而減小。坡面上測(cè)點(diǎn)高程越高(離荷載源越近),荷載強(qiáng)度越大,衰減也越強(qiáng)烈;隨著高程的降低,響應(yīng)逐漸減小,衰減逐漸變?nèi)酢８叱?m以上響應(yīng)衰減較快,8m以下則基本保持不變。向下坡面巖土體的水平振動(dòng)加速度和垂直加速度比向上坡面大一個(gè)量級(jí),并且離震源較近的巖土體振動(dòng)加速度衰減幅度顯著大于向上坡面巖土體振動(dòng)加速度,同時(shí)離震源較遠(yuǎn)的巖土體振動(dòng)加速度的衰減幅度顯著小于向上坡面巖土體振動(dòng)加速度。相同測(cè)點(diǎn)在同一荷載作用下,水平加速度和垂直加速度在同一量級(jí),水平加速度略大于垂直加速度。

圖5 向下坡面不同荷載下最大加速度與測(cè)點(diǎn)高程關(guān)系Fig.5 Relationship between them aximum accelerations and the elevationsofmonitoring pointson the slope below the roadunder different loads.

圖6是公路向下坡面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大水平加速度和垂直加速度與交通荷載最大振幅的關(guān)系圖,可以看到邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平和垂直加速度都隨交通荷載最大振幅的增大而增大,但不同測(cè)點(diǎn)增大的幅度不一樣。測(cè)點(diǎn)離震源距離越小,動(dòng)力響應(yīng)越敏感,加速度的增幅也越大;離震源距離較遠(yuǎn)時(shí)加速度隨荷載振幅增大的幅度越來(lái)越來(lái)越小,到幾乎保持不變。

圖6 向下坡面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大加速度與交通荷載最大振幅關(guān)系Fig.6 Relationship sbetween them aximum acceleration ofmonitoring pointson the slope below the road and them aximumamp litudesof trafficloads.

2.3 坡面向內(nèi)水平方向

圖7是坡面向內(nèi)水平方向各監(jiān)測(cè)點(diǎn)(C1-C10)的最大水平加速度和垂直加速度與距坡面水平距離的關(guān)系圖,可以看到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大加速度隨著距坡面水平距離的增大呈單調(diào)遞減的趨勢(shì),并且交通荷載越大,曲線的斜率越大,即遞減的幅度大。與沿坡面向上加速度變化規(guī)律類似,離震源越近的點(diǎn)衰減越強(qiáng)烈,隨著離震源距離的增大,衰減越來(lái)越弱。垂直加速度和水平加速度處于同一數(shù)量級(jí),垂直加速度大于水平加速度,且對(duì)荷載變化的敏感程度低于水平加速度。

圖7 坡內(nèi)不同荷載下最大加速度與測(cè)點(diǎn)距坡面距離關(guān)系Fig.7 Relationship sbetween them aximum acceleration and distances from monitoring pointsinner slope under different loads.

圖8是坡面向內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大水平和垂直加速度與交通荷載最大振幅關(guān)系圖,可以看到各點(diǎn)的水平和垂直加速度值隨著交通荷載的增大逐漸增大。離震源越近(距坡面水平距離越小)的點(diǎn),動(dòng)力響應(yīng)越敏感,加速度增幅越大,表現(xiàn)為曲線斜率越大。

圖8 坡內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大加速度與交通荷載最大振幅關(guān)系Fig.8 Relationships between them axim um acceleration ofmonito ring points inner slope and the m axim um am p litudesof traffic loads.

3 結(jié)論

(1)交通荷載越大,邊坡巖土體的振動(dòng)加速度越大;交通荷載越小,振動(dòng)加速度越小。

(2)振動(dòng)加速度隨著高程的增大(坡面向上)或距坡面水平距離(坡面向內(nèi)水平方向)增大逐漸減小。離震源越近的點(diǎn)動(dòng)力響應(yīng)越敏感,衰減強(qiáng)烈;距離越遠(yuǎn)衰減幅度逐漸減小;并且交通荷載越大衰減的幅度越大。

(3)交通荷載作用下,路面以上水平加速度和垂直加速度處于同一量級(jí),垂直加速度大于水平加速度;路面以下邊坡振動(dòng)加速度比路面以上大一個(gè)量級(jí),水平加速度和垂直加速度處于同一量級(jí)。

本文僅對(duì)豎向振動(dòng)交通荷載作用下巖質(zhì)邊坡動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值分析,考慮橫向交通荷載作用下邊坡動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。

[1] M Popeseul.A suggestedmethod for reporting landslide remedial measure[J].Bulletin of Engineering Geology and the environm ent,2001,60(1):58-62.

[2] 劉飛禹,蔡袁強(qiáng),徐長(zhǎng)節(jié).交通荷載作用下軟基加筋道路變形機(jī)制研究[J].巖土力學(xué),2009,30(1):129-134.

[3] 姚海林,盧正,羅海寧.交通荷載作用下kelvin地基上不平整路面的動(dòng)力響應(yīng)分析[J].巖土力學(xué),2009,309(4):891-896.

[4] 章東強(qiáng),謝偉平,于艷麗.交通荷載引起的環(huán)境振動(dòng)實(shí)側(cè)與分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004,26(9):57-59.

[5] 查文華,洪寶寧.交通荷載下低路堤路基的動(dòng)力響應(yīng)[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào),2008,29(3):264-268.

[6] 查文華,洪寶寧,徐毅.交通荷載下低路堤高速公路路面路基振動(dòng)測(cè)試與分析[J].公路工程,2007,32(4):113-117.

[7] 劉奉喜,劉建坤,房建宏,等.車輛荷載作用下鹽路公路振動(dòng)衰減分析[J].公路,2004,(4):24-28.

[8] 樊秀峰,簡(jiǎn)文彬.交通荷載作用下邊坡振動(dòng)特性分析[J].巖土力學(xué),2006,27(增):1197-1201.

[9] 鄭黎明.鐵路邊坡巖體的振動(dòng)特性和機(jī)理[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1994,13(1):69-78.

[10] 張友葩,高永濤,王杰林.動(dòng)荷載下邊坡的失穩(wěn)分析[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),2003,25(2):110-116.

[11] 金亮星,李建.高速鐵路路塹巖質(zhì)邊坡的動(dòng)力響應(yīng)分析[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào),2008.21(4):354-358.

[12] 簡(jiǎn)文斌,胡志忠,樊秀麗,等.邊坡對(duì)循環(huán)荷載的響應(yīng)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(12):2562-2567.

[13] 葉四橋,唐紅梅,李明.汽車荷載對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響分析[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2006,28(5):106-109.

[14] 蒯行成,吾朝輝,李永紅.車輛振動(dòng)瞬態(tài)分析及動(dòng)荷載[J].中南公路工程,2004,29(3):41-44.

Numerical Analysis of Slope Dynam ic Response under Traffic Loads

CA IHanch-eng,YAN Zhi-xin,WANGQun-m in,L IANG X iao-bo

(Schoo l ofC ivil Engineering and M echanics,Lanzhou University,Lanzhou 730000,Ch ina)

TU 435

A

1000-0844(2010)03-0220-06

2009-08-09

蔡漢成(1974-),男,甘肅武威人,碩士研究生,主要從事巖土工程和工程地質(zhì)研究工作.