豎向張拉裂縫下渣場邊坡地震動力響應(yīng)分析

楊 森

(西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

豎向張拉裂縫下渣場邊坡地震動力響應(yīng)分析

楊 森

(西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

文章利用MIDAS/GTS數(shù)值計算軟件，對龍泉山隧道渣場邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬和分析，并模擬渣場邊坡在豎向張拉裂縫不斷拓展深度的情況下監(jiān)測點(diǎn)的位移及應(yīng)力變化情況，同時分析了帶裂縫工作邊坡在汶川地震波的動力作用下邊坡穩(wěn)定性情況及監(jiān)測點(diǎn)的位移變化、應(yīng)力變化情況，結(jié)果表明隨著豎向張拉裂縫向下拓展以及地震荷載下邊坡滑移面不斷向坡底延伸，坡腳剪切應(yīng)力逐漸變大，計算結(jié)果也表明對于渣場的邊坡防護(hù)及支擋形式在考慮地震荷載情況下需通過渣場表面進(jìn)行綠化覆蓋，在高等級高邊坡情況下進(jìn)行錨桿、錨索及擋土墻等進(jìn)行有效支護(hù)。

渣場邊坡； 地震； 動力響應(yīng)； 豎向張拉裂縫

近年來由于地震活動頻繁，造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失巨大。地震對邊坡穩(wěn)定性的作用凸顯，也成為近幾年諸多學(xué)者、專家研究的熱點(diǎn)。由于四川省所處的特殊地理位置——山多，地形地貌起伏變化大，地質(zhì)條件復(fù)雜，且地震活動頻繁、活動強(qiáng)、頻度高，工程危害性更大。由于地震能夠觸發(fā)和加速邊坡的失穩(wěn)破壞[1-4]，它儼然成為了邊坡失穩(wěn)的重要影響因素之一，在地震活動活躍的地方所建設(shè)的工程項(xiàng)目，地震對工程的影響不可不考慮。隧道工程棄渣具有松散性且土石方量巨大，一旦失穩(wěn)將造成嚴(yán)重的水土流失問題。目前，對渣場的穩(wěn)定性，特別是渣場在帶豎向張拉裂縫工作的情況下地震荷載情況下國內(nèi)研究的文獻(xiàn)還很少。

對邊坡在地震作用下的穩(wěn)定性評價，工程項(xiàng)目上較為普遍的還是采用安全系數(shù)作為評價指標(biāo)。目前安全系數(shù)的計算方法主要是擬靜力法、動力時程分析法和動力有限元強(qiáng)度折減法。本文采用動力時程分析法對龍泉山隧道渣場在帶豎向裂縫工作下的地震動力響應(yīng)分析。

1 龍泉山隧道渣場工程地質(zhì)條件

1.1 渣場概況

測區(qū)以丘陵為主，測區(qū)主要位于龍泉山山脈南麓，龍泉山山脈系四川盆地西部成都平原和川中丘陵的地理界線，是岷江與沱江的分水嶺。在四川盆地內(nèi)部，山脈形成一條高高的、狹長的隆起，其西面是成都平原，東面是川中丘陵。渣場地面高程557～630 m，相對高差20～50 m，自然坡度30°～50°，地形起伏大，山勢險峻，多處懸崖峭壁，沖溝多呈“V”字型，坡面植被發(fā)育。臺階坡面角34°，安全平臺寬度5 m，渣場總高度28.3 m，渣場容積為63×104m3(圖1)。

圖1 渣場設(shè)計平面

1.2 地形地貌

1.2.1 地層巖性

測區(qū)上覆第四系全新統(tǒng)人工填土(Q4ml)、坡殘積(Q4dl+el)、上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)泥巖夾砂巖。地層巖性分述如下：<1-2>人工填土(Q4ml)雜色，松散狀，潮濕，主要為圓礫及粘性土，局部為砂泥巖風(fēng)化碎塊回填。<2-3-2>粉質(zhì)黏土(Q4dl+el)：褐黃色，硬塑狀，含少量砂泥巖質(zhì)碎石角礫。<7>泥巖夾砂巖(J3p)與下伏(J3s)呈整合接觸。

1.2.2 地質(zhì)構(gòu)造及地震烈度

測區(qū)位于新華夏系第三沉降帶四川盆地西緣的川西褶皺帶中，主要構(gòu)造體系為龍泉山褶皺帶，以龍泉山箱狀大背斜為骨干，包括一系列走向北20°～30°東的褶皺、沖斷層等壓性、壓扭性結(jié)構(gòu)面，龍泉山大背斜軸部寬闊平緩，兩翼陡然下降，形成對稱軛軸，延伸不遠(yuǎn)復(fù)又變平。擬建二號棄渣場西側(cè)發(fā)育有：馬鞍山斷層。一號、三號棄渣場未見明顯構(gòu)造痕跡，巖層單斜。一號棄渣場巖層產(chǎn)狀： N35°E/15°SE，節(jié)理產(chǎn)狀：①N30°E/90°②節(jié):N21°E/82°SE；二號棄渣場巖層產(chǎn)狀：N33°E/44°SE；三號棄渣場巖層產(chǎn)狀： N38°E/8°SE，節(jié)理產(chǎn)狀：①節(jié):N38°E/90°②節(jié): E-W/48°N。

1.2.3 水文地質(zhì)條件

地下水主要有第四系土層孔隙潛水、基巖裂隙水。①孔隙潛水由于擬建棄渣場范圍內(nèi)基巖普遍出露，覆蓋層薄，故第四系土層孔隙水貧乏。②基巖(紅層)裂隙水分布于上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)地層中，為一套紅色泥巖為主夾厚度不穩(wěn)定的砂巖透鏡體。其中砂巖裂隙層間水兼具風(fēng)化裂隙水，主要是砂巖裂隙含水，地下水被嚴(yán)格限制在含水砂巖層分布的范圍之內(nèi)，具有多個互不聯(lián)系的砂巖裂隙層間水含水巖體，含水性極不均勻；風(fēng)化帶裂隙水主要接受大氣降水和地面水體的補(bǔ)給，隨地形條件由高處向低處徑流，于地形低洼處匯集和排出地表。

2 基本原理

2.1 強(qiáng)度折減法

土體強(qiáng)度準(zhǔn)則廣泛采用Mohr-Coulomb模型，在這種模型下，有限元、有限差分等數(shù)值方法參照極限平衡法中穩(wěn)定系數(shù)的定義，其分析邊坡穩(wěn)定性的思路如下：給原始的強(qiáng)度參數(shù)c、φ除以一個常數(shù)K，使邊坡達(dá)到破壞的臨界狀態(tài)，該常數(shù)K即為穩(wěn)定系數(shù)。這種方法稱為強(qiáng)度折減法，折減后的強(qiáng)度參數(shù)c′、φ′如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

一般而言穩(wěn)定系數(shù)K與邊坡高度、坡率、含水情況、荷載及強(qiáng)度屬性等有關(guān)，其值的最終確定需要一系列的試算直到邊坡模型失穩(wěn)。強(qiáng)度折減法是GTS中的一個內(nèi)嵌程序，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析時可以直接選取該方法即可方便的進(jìn)行邊坡的穩(wěn)定性分析。

2.2 時程分析法

時程分析法在數(shù)學(xué)上稱步步積分法,抗震設(shè)計中也稱為“動態(tài)設(shè)計”。由結(jié)構(gòu)基本運(yùn)動方程輸入地面加速度記錄進(jìn)行積分求解，以求得整個時間歷程的地震反應(yīng)的方法。 此法輸入與結(jié)構(gòu)所在場地相應(yīng)的地震波作為地震作用,由初始狀態(tài)開始, 一步一步地逐步積分,直至地震作用終了。是工程的基本運(yùn)動方程，輸入對應(yīng)于工程場地的若干條地震加速度記錄或人工加速度時程曲線，通過積分運(yùn)算求得在地面加速度隨時間變化期間結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形狀態(tài)隨時間變化的全過程，并以此進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面抗震承載力驗(yàn)算和變形驗(yàn)算。

3 計算結(jié)果的對比分析

3.1 模型幾何尺寸

本章采用二維數(shù)值模擬，在邊坡角度34°，分別進(jìn)行邊坡頂部1 m處豎向張拉裂縫向下拓展分別為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m下的數(shù)值模擬，裂縫通過設(shè)置接觸面進(jìn)行模擬。模型尺寸如下：邊坡高度為60 m，長度為120 m。由于網(wǎng)格尺寸大小對分析精度有一定的影響，在不同巖土體接觸截面適當(dāng)加密網(wǎng)格，在巖土體和支檔結(jié)構(gòu)接觸的截面，網(wǎng)格亦適當(dāng)細(xì)化。圖2為計算模型示意圖，限于本章篇幅，其他計算模型圖及網(wǎng)格劃分圖不再贅述。

圖2 渣場邊坡網(wǎng)格

3.2 模型材料參數(shù)

根據(jù)龍泉山隧道渣場的地質(zhì)勘查資料得到各地層巖體物理力學(xué)性質(zhì)(表1、表2)。用接觸面模擬裂縫。

表1 邊坡巖土體物理力學(xué)指標(biāo)

表2 接觸面參數(shù)

3.3 地震荷載

根據(jù)GB 18306-2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，本區(qū)間隧道工程通過地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，地震分組為第三組，地震動峰值加速度為0.10g，地震設(shè)計特征周期為0.45 s(表3)。

表3 設(shè)計基本地震加速度值與抗震設(shè)防烈度關(guān)系

本文中采用的時程分析法，考慮渣場邊坡在最不利荷載情況下，選取汶川地震波的第10～40 s進(jìn)行地震荷載的模擬，具體地震波見圖3。

圖3 汶川地震波

3.4 分析計算結(jié)果

從表4中得到在自重應(yīng)力場的情況下，當(dāng)裂縫擴(kuò)展深度從1～5 m的過程中渣場邊的穩(wěn)定性系數(shù)都大于1.2，屬于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)裂縫拓展深度至6～7 m時渣場邊坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，拓展至8 m時處于不穩(wěn)定狀態(tài)。本文對該渣場邊坡在地震工況下的分析，只考慮在地震荷載作用下對邊坡穩(wěn)定性的影響，采取對監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)控，取各監(jiān)測點(diǎn)在地震工況下的最大位移及其變化趨勢，分析在地震荷載下裂縫深度對邊坡的穩(wěn)定性影響(圖4、圖5)。

表4 自然工況下的不同裂縫擴(kuò)展深度所對應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)

圖4 渣場自然工況變形

圖5 渣場地震工況變形

通過圖6和圖7中穩(wěn)定性結(jié)果分析，自然工況下渣場穩(wěn)定系數(shù)具有隨著裂縫深度增加穩(wěn)定性系數(shù)下降的規(guī)律，但在地震荷載下，裂縫對邊坡穩(wěn)定性的影響很小，本文中的地震荷載是在自重位移清零的情況下完成的，可以觀察到對于隨著裂縫深度的拓展，整個渣體的位移及渣體的應(yīng)力，均變化較小，但對于最不利位置的邊坡滑動點(diǎn)位上的觀測可以得出，隨著裂縫深度的拓展邊坡滑動面更接近邊坡頂部開裂處。

圖6 自然工況下穩(wěn)定性系數(shù)

圖7 地震工況下監(jiān)測點(diǎn)位移

4 結(jié)論

邊坡頂部開裂對邊坡穩(wěn)定性影響巨大，本文通過強(qiáng)度折減法分析自然工況下豎向張拉裂縫對渣場穩(wěn)定性的影響，得到了裂縫深度和渣場邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的關(guān)系，對實(shí)際的工程施工及渣場的設(shè)計具有指導(dǎo)作用。本文同時對渣場在地震荷載下，根據(jù)時程分析法研究裂縫深度對其穩(wěn)定性影響，通過計算結(jié)果得到了隨著裂縫深度的拓展，渣場邊坡的滑動面接近裂縫開裂處。裂縫的發(fā)展和分布具有復(fù)雜性和無規(guī)律性，本文的數(shù)值計算是對實(shí)際工程中邊坡頂部開裂的假定模擬，但結(jié)果顯示渣場邊坡的防治是個系統(tǒng)且復(fù)雜的工程，為保證邊坡的穩(wěn)定性及水土保持，需通過渣場邊坡表面的綠化以及排水盲溝等措施，防范邊坡頂部裂縫的產(chǎn)生。

可可西里成青藏高原首個世界自然遺產(chǎn)地

北京時間7月7日，在波蘭克拉科夫召開的第41屆世界遺產(chǎn)委員會會議上，青?？煽晌骼锷赀z項(xiàng)目獲表決通過，成為青藏高原首個世界自然遺產(chǎn)地。

可可西里位于青藏高原腹地，平均海拔4600米以上，是三江源國家公園長江源園區(qū)的重要組成部分，為長江中下游水資源提供保障。這里面積大于1平方公里的湖泊有107個，擁有的野生動物多達(dá)230多種。獨(dú)特的生態(tài)條件和與此相適應(yīng)的植被類型，為藏羚羊等青藏高原特有哺乳動物提供了完整的棲息地和遷徙通道。

青海可可西里申遺項(xiàng)目2014年底正式啟動，覆蓋總面積約600萬公頃。

可可西里獨(dú)特的自然景觀和物種多樣性，符合聯(lián)合國《保護(hù)世界文化和自然遺產(chǎn)公約》規(guī)定的條件。在兩年多申遺準(zhǔn)備工作中，青海省組織專家克服高寒缺氧開展大量實(shí)地調(diào)研，并且按照國際慣例編寫材料，并設(shè)計了管理計劃和措施。

世界自然保護(hù)聯(lián)盟技術(shù)評估報告給出這樣評價：這片嚴(yán)酷的荒野一望無垠，美景令人贊嘆不已，仿佛被凍結(jié)在時空中，然而其地貌和生態(tài)系統(tǒng)卻在不停地變化……

按照世界自然保護(hù)聯(lián)盟要求，青海省政府部門將遵守“不在遺產(chǎn)地范圍內(nèi)為根除小型哺乳動物鼠兔采用毒殺行動”“不強(qiáng)制安置或遷移遺產(chǎn)地緩沖區(qū)的傳統(tǒng)牧民”“不在任何時候許可或提倡遺產(chǎn)地內(nèi)會威脅到動物遷徙路線的圍欄活動”等承諾。

摘自：新華社

楊森(1992～)，男，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榈叵录八淼拦こ谭琅潘芯俊?/p>

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[定稿日期]2017-04-26