垃圾填埋場(chǎng)邊坡動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程分析

李　勇

(廣東石油化工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，廣東 茂名 525000)

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垃圾填埋場(chǎng)邊坡動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程分析

李勇

(廣東石油化工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，廣東 茂名 525000)

摘要：隨著城市化建設(shè)和新農(nóng)村建設(shè)進(jìn)程的提速，對(duì)環(huán)境的要求也更高。目前，設(shè)置垃圾填埋場(chǎng)仍是處置城市生活垃圾的一種行之有效且最常用的方法。填埋場(chǎng)邊坡與其它自然邊坡和人工邊坡一樣，也存在邊坡穩(wěn)定問(wèn)題，針對(duì)錫塘垃圾填埋場(chǎng)邊坡工程實(shí)際，基于時(shí)程分析法對(duì)填埋場(chǎng)邊坡的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了分析，采用等效線(xiàn)性化方法考慮垃圾填埋體的非線(xiàn)性動(dòng)力響應(yīng)特性。為充分反映地震動(dòng)特性對(duì)填埋場(chǎng)動(dòng)力響應(yīng)的影響，地震動(dòng)輸入采用三條實(shí)測(cè)波和一條人工地震波。分析結(jié)果表明，不同地震波對(duì)填埋場(chǎng)地震響應(yīng)有顯著差異，在對(duì)實(shí)際填埋場(chǎng)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，至少應(yīng)選擇兩條實(shí)測(cè)波加一條人工合成地震波作為輸入地震波，這樣才能較好反映填埋場(chǎng)動(dòng)力響應(yīng)特性。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力響應(yīng)；時(shí)程分析；邊坡；垃圾填埋場(chǎng)

填埋場(chǎng)邊坡與其它自然邊坡和人工邊坡一樣，也存在邊坡穩(wěn)定問(wèn)題。從地震穩(wěn)定性角度來(lái)看，填埋場(chǎng)邊坡最顯著的特點(diǎn)是具有較大規(guī)模，復(fù)雜的由多種不同性質(zhì)材料組成的密封覆蓋層和襯墊系統(tǒng)，填埋體通常具有明顯的非均質(zhì)性和各向異性，其性質(zhì)還因組成物質(zhì)的腐爛，分解而隨時(shí)間變化[1-4]。時(shí)程分析法從選定的輸入地震波(地震波加速度時(shí)程)出發(fā)，采用多節(jié)點(diǎn)多自由度的邊坡有限元?jiǎng)恿τ?jì)算模型建立動(dòng)力方程，采用逐步積分法對(duì)方程進(jìn)行求解，計(jì)算地震過(guò)程中每一瞬時(shí)邊坡的位移、速度和加速度響應(yīng)，從而可以分析出邊坡在地震作用下的內(nèi)力變化及邊坡失穩(wěn)的全過(guò)程。時(shí)程分析可詳細(xì)了解邊坡在整個(gè)地震持時(shí)內(nèi)的邊坡響應(yīng)。而且除了在進(jìn)行時(shí)程積分時(shí)引入了一些假定外，時(shí)程分析法基本沒(méi)有其它限制，適用范圍較廣，是邊坡地震響應(yīng)分析的有力工具。時(shí)程分析法的主要缺點(diǎn)是計(jì)算結(jié)果過(guò)度依賴(lài)于所選取的地震加速度時(shí)程曲線(xiàn)，離散性很大。通常要對(duì)許多條地震波曲線(xiàn)進(jìn)行計(jì)算并加以綜合處理，才能對(duì)邊坡的抗震性能進(jìn)行較為客觀(guān)的評(píng)價(jià)[5-8]。本文采用更符合實(shí)際情況的動(dòng)力時(shí)程法進(jìn)行時(shí)程分析，選取EL-Centro波、寧河波、遷安波和人工地震波(超越概率10%)作為輸入地震波，利用Plaxis軟件中的HSsmall本構(gòu)模型對(duì)某城市垃圾填埋場(chǎng)邊坡進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，選取邊坡在EL-Centro波作用下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，該結(jié)果可為填埋場(chǎng)的抗震設(shè)計(jì)及分析提供參考并對(duì)填埋場(chǎng)抗震設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1　填埋場(chǎng)動(dòng)力響應(yīng)分析方法

在垃圾填埋場(chǎng)地震時(shí)程分析中，將垃圾土體考慮為粘彈性體。動(dòng)力有限元控制方程為[9-11]：

(1)

2　所采用的本構(gòu)模型

計(jì)算時(shí)采用Plaxis軟件中的HSsmall模型，HSsmall模型是彈塑性雙曲線(xiàn)模型，與土的硬化模型相類(lèi)似。當(dāng)該模型用于動(dòng)力分析時(shí)，包含了材料的粘滯阻尼。模型中采用Konder[12]、Hardin和Drnevich[13]所給出的雙曲線(xiàn)來(lái)描述土的動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系骨干曲線(xiàn)。由于其形式簡(jiǎn)單，計(jì)算參數(shù)少，在實(shí)際工程計(jì)算中得到廣泛應(yīng)用。HSsmall模型的基本公式為：

Gs/G0=1/(1+|γ/γr|)

(2)

其中：Gs為割線(xiàn)剪切模量；γ為剪應(yīng)力；G0為小應(yīng)變時(shí)的剪切模量；γr為極限剪應(yīng)變，γr=τmax/G0，τmax為破壞時(shí)的剪應(yīng)力，即最大剪應(yīng)力。

3　填埋場(chǎng)邊坡動(dòng)力分析模型建立

3.1填埋場(chǎng)邊坡計(jì)算模型

以某實(shí)際填埋場(chǎng)為工程背景，建立如圖1所示的有限元分析模型。特征點(diǎn)布置圖如圖2所示。垃圾土的力學(xué)參數(shù)如表1所示[14-15]。Plaxis軟件提供了6節(jié)點(diǎn)單元和15節(jié)點(diǎn)單元兩種，如圖1所示，本文采用的是15節(jié)點(diǎn)單元，利用Plaxis軟件自動(dòng)劃分網(wǎng)格單元，在“劃分精度”中選擇“細(xì)密”，整體網(wǎng)格見(jiàn)圖1，模型單元數(shù)442，節(jié)點(diǎn)數(shù)4 005。

圖1有限元計(jì)算模型

圖2填埋場(chǎng)特征點(diǎn)設(shè)置

表1　垃圾填埋場(chǎng)基本計(jì)算參數(shù)

3.2地震動(dòng)輸入

為了研究邊坡動(dòng)力響應(yīng)，選取了具有不同頻譜特性和持時(shí)的三條實(shí)測(cè)波(EL-Centro波、遷安波、寧河波)和一條人工波。時(shí)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖3～圖6。對(duì)于EL-Centro波，能量主要集中在頻率為3 Hz～7 Hz范圍內(nèi)，對(duì)于遷安波，能量主要集中在頻率為5 Hz～20 Hz范圍內(nèi)，對(duì)于寧河波，能量主要集中在頻率為5 Hz范圍以?xún)?nèi)，人工合成波總持時(shí)為30 s，時(shí)間間隔均為0.02 s，能量主要集中在頻率為3 Hz～6 Hz范圍內(nèi)[16-17]。

4　填埋場(chǎng)邊坡動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程分析

4.1加速度響應(yīng)

選擇填埋場(chǎng)邊坡坡頂(節(jié)點(diǎn)A)、坡中(節(jié)點(diǎn)B)、坡腳(節(jié)點(diǎn)C)及底部(節(jié)點(diǎn)E)進(jìn)行邊坡動(dòng)力響應(yīng)分析。由圖7可以看出，從節(jié)點(diǎn)E到節(jié)點(diǎn)A，即從填埋場(chǎng)底部到坡頂，加速度峰值逐漸增大，到坡中處達(dá)最大值，體現(xiàn)了填埋層具有放大地震的作用；圖8給出了坡頂加速度變化規(guī)律，從圖8中可以看出，在動(dòng)力響應(yīng)過(guò)程中，坡頂峰值加速度為3.38 m/s2，約為輸入峰值加速度的3.4倍。

圖3EL-Centro地震波加速度時(shí)程曲線(xiàn)

圖4遷安地震波加速度時(shí)程曲線(xiàn)

圖5寧河地震波加速度時(shí)程曲線(xiàn)

圖6人工合成地震波加速度時(shí)程曲線(xiàn)

4.2位移響應(yīng)

由圖9、圖10可以看出，邊坡坡頂?shù)奈灰祈憫?yīng)最大，達(dá)0.055 m，發(fā)生在25.64 s時(shí)，坡頂端的位移為坡體底部位移的1.08倍。從時(shí)間上看，在動(dòng)荷載的開(kāi)始初期，除邊坡邊緣節(jié)點(diǎn)位移略大于其它節(jié)點(diǎn)，邊坡總體位移基本一致；繼續(xù)施加地震動(dòng)，邊坡邊緣質(zhì)點(diǎn)的位移超過(guò)邊坡底部與垃圾壩體的位移，這種現(xiàn)象隨著地震繼續(xù)更加明顯。垃圾壩與邊坡底部的位移時(shí)程曲線(xiàn)基本一致，因此邊坡位移的水平方向的放大作用不明顯，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是因?yàn)橛绊懙乇碣|(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的瑞雷波在地震過(guò)程中衰減較快造成的。邊坡位移與地震加速度變化有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，但位移的變化相對(duì)地震加速度的變化有明顯的滯后。這與文獻(xiàn)[18]所得到的結(jié)果基本一致。

圖7填埋高度與加速度關(guān)系

圖8EL-Centro波作用下坡頂加速度響應(yīng)時(shí)程曲線(xiàn)

圖9填埋高度與位移關(guān)系圖

圖10EL-Centro波作用下坡頂位移響應(yīng)時(shí)程曲線(xiàn)

4.3不同輸入地震動(dòng)響應(yīng)

按照本文提出的計(jì)算方法，對(duì)某垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行了地震響應(yīng)分析。由表2可以看出，針對(duì)不同地震動(dòng)的輸入，在坡頂處加速度峰值有很大區(qū)別，寧河波加速度響應(yīng)最大，而對(duì)于位移響應(yīng)，遷安波最大。從圖11可以看出，不同地震波響應(yīng)過(guò)程也有顯著差異，這主要是由于輸入地震波頻譜特性不同，當(dāng)?shù)卣鸩ǖ募?lì)頻率與填埋場(chǎng)響應(yīng)頻率接近時(shí)，引起的響應(yīng)最大。由圖12可以看出，沿填埋場(chǎng)深度方向，加速度響應(yīng)逐漸減小，四條輸入地震波引起的邊坡動(dòng)力響應(yīng)變化趨勢(shì)相同，但不同地震波對(duì)邊坡頂部加速度響應(yīng)有顯著差異，寧河地震波輸入響應(yīng)最大，遷安地震波輸入響應(yīng)最小，反映了輸入地震動(dòng)波的頻譜特性對(duì)填埋場(chǎng)響應(yīng)有影響。所以，在對(duì)實(shí)際填埋場(chǎng)進(jìn)行地震響應(yīng)分析時(shí)，至少應(yīng)選擇兩條實(shí)測(cè)波加一條人工合成地震波作為輸入地震波，這樣才能較好反映填埋場(chǎng)動(dòng)力響應(yīng)特性。

表2　計(jì)算得到的坡頂放大系數(shù)

圖11不同地震波作用下坡頂加速度響應(yīng)時(shí)程曲線(xiàn)

圖12加速度峰值隨填埋深度變化曲線(xiàn)

5　結(jié)　語(yǔ)

本文基于動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程分析，對(duì)某垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行分析，為了反映不同地震波對(duì)填埋場(chǎng)地震動(dòng)力響應(yīng)的影響，本研究輸入了四條地震波，經(jīng)分析、比較得到如下結(jié)論：

(1)地震波類(lèi)型對(duì)填埋場(chǎng)地震響應(yīng)有顯著差異，在對(duì)實(shí)際填埋場(chǎng)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，至少應(yīng)選擇兩條實(shí)測(cè)波加一條人工合成地震波作為輸入地震波，這樣才能較好反映填埋場(chǎng)動(dòng)力響應(yīng)特性。并在填埋場(chǎng)抗震設(shè)計(jì)時(shí)取各響應(yīng)量的最大值作為設(shè)計(jì)控制參數(shù)。

(2)造成填埋場(chǎng)動(dòng)力響應(yīng)不同的根本原因是輸入地震波頻譜特性不同，當(dāng)?shù)卣鸩ǖ募?lì)頻率與填埋場(chǎng)的振動(dòng)頻率接近時(shí)響應(yīng)最大。

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TimeHistoryAnalysisfortheSeismicResponseofLandfillSlope

LI Yong

(ArchitectureandCivilEngineeringInstitute,GuangdongUniversityofPetrochemicalTechnology,Maoming,Guangdong525000,China)

Abstract：With the acceleration of urbanization and new rural construction process,environmental requirements are also raised.At present,building landfills to dispose of municipal solid waste is still an effective and most commonly used method.Landfill slopes have the same stability problems with other natural and manmade slopes.According to the engineering practice of municipal solid waste landfills,based on the analysis of time history for dynamic response of landfills slope,the equivalent linearization method was used to study the non-linear dynamic response characteristics of the waste in the landfill.In order to fully reflect the impact of the seismic motion characteristics on the dynamic response of the landfill,three actual recorded waves and an synthetic wave were input as seismic motions.The result indicates that there are significant differences on the seimic response of landfills according to the input of different seismic waves.When conducting seismic design of the actual landfill sites,there should be at least 2 actual waves and one synthetic wave as input waves to better reflect the landfill dynamic response characteristics.

Keywords：seismic response;time history;slope;landfill

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.020

中圖分類(lèi)號(hào)：TU345

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672—1144(2014)06—0102—05

作者簡(jiǎn)介：李勇(1980—)，男，湖南岳陽(yáng)人，碩士，講師，工程師，主要從事土動(dòng)力學(xué)與環(huán)境巖土工程方面的教學(xué)與科研工作。

基金項(xiàng)目：茂名市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012B01077)

收稿日期：2014-08-01修稿日期：2014-09-07