滑坡對不同特性地震波的動力響應(yīng)規(guī)律

趙 金，吳紅剛 ，楊 濤

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2. 中國中鐵滑坡工程實驗室，甘肅 蘭州 730000；3.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000；4. 西部環(huán)境巖土及場地修復(fù)技術(shù)工程實驗室，甘肅 蘭州 730000；5.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

我國是大陸地震最集中、活動性最高的地區(qū)之一，而多山地、多地震的地理地質(zhì)條件不可避免帶來了大量和地震作用相關(guān)的邊坡問題。同時地震邊坡的研究是邊坡工程和地震工程研究的重要內(nèi)容，而邊坡在地震作用下的動力響應(yīng)規(guī)律則是研究的核心。滑坡的地震動力響應(yīng)分析主要探究地震加速度峰值在坡體內(nèi)的放大系數(shù)發(fā)展規(guī)律，以及震后滑坡殘余變形特征，前者為滑坡動力穩(wěn)定性分析提供基礎(chǔ)，后者為滑坡動力失穩(wěn)機理分析提供依據(jù)[1-3]。

對于邊坡在地震作用下的動力響應(yīng)規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。CELEBI等[4]提出地震波具有明顯的地形放大效應(yīng)。劉洪兵等[5]進行國內(nèi)外相關(guān)文獻總結(jié)時，提出了相同的認識，認為地形放大效應(yīng)與方向效應(yīng)關(guān)系密切。張江偉等[6]建立了二維均質(zhì)邊坡有限元模型，模擬計算了其在地震作用下的動力響應(yīng)得出在坡頂和坡面處，與輸入地震動加速度時程比較，輸出加速度峰值出現(xiàn)的時刻有滯后現(xiàn)象。鄒燁等[7]從三維均質(zhì)邊坡出發(fā),給出了一種將矢量和法與動力有限元法相結(jié)合的三維邊坡動力穩(wěn)定性分析方法，并給出其具體計算過程，最后將該方法運用到大型堆積體邊坡的動力穩(wěn)定性分析中。HUTCHINSON[8]基于現(xiàn)場滑坡模型試驗以及室內(nèi)試驗，提出了導(dǎo)致土質(zhì)液化形成滑坡的認識。陳臻林等[9]通過數(shù)值模擬研究了地震波作用下含反傾軟弱夾層巖質(zhì)邊坡動力響應(yīng)規(guī)律。

上述學(xué)者在滑坡動力失穩(wěn)機理研究方面較多，對滑坡動力穩(wěn)定性研究較少，尤其是地震波特性對滑坡動力響應(yīng)規(guī)律的影響研究更少。因此，本文以玉樹機場路滑坡群0#滑坡第七條塊為原型，運用有限元分析軟件FLAC3D建立數(shù)值分析模型，研究正弦波、玉樹水平波、玉樹豎向波的加速度放大系數(shù)在坡體內(nèi)的發(fā)展規(guī)律，為地震作用下滑坡穩(wěn)定性分析提供借鑒。

1 工程概況

青海玉樹機場路滑坡群0#滑坡坡面坡度20°，距離線路中心約212 m，高程在3 776 m附近為滑坡體后緣，其地形較緩?；掠覀?cè)發(fā)育有流向為NE14°的“U”型溝，溝寬26 m。第七塊滑坡滑動方向NE46°，主滑段傾角約18°～19°，沿線路寬133 m，垂直線路長度166 m，滑體體積3.82×105m3，滑坡分為三級。堆積層主要由角礫土、碎石土以及黏土構(gòu)成。由于0#第七條堆積層滑坡坡體結(jié)構(gòu)及構(gòu)成相近，簡化為二維模型(圖1)。

圖1 0#滑坡第七條滑坡平面圖Fig.1 Plan view of the seventh landslide of 0# landslide group

0#滑坡第七條塊的地球物理特性如圖2所示，其滑坡介質(zhì)電阻率分布較均勻且物性層位清楚，能夠反映邊坡內(nèi)部情況及滑坡發(fā)育情況。兩剖面有非常好的對應(yīng)關(guān)系，表層局部阻值較高，而中層較低且形成連續(xù)的閉合低阻閉合圈，為低阻軟弱含水層或過濕帶，后部高阻區(qū)為基巖。

圖2 滑坡物探縱斷面圖Fig.2 Longitudinal section of physical detection on the landslide

2 計算模型建立

以青海玉樹機場路滑坡群0#滑坡斷面為對象，利用FLAC3D軟件建立模型，工程地質(zhì)斷面如圖3所示。該滑坡為多滑面堆積層典型坡體結(jié)構(gòu)，根據(jù)計算需要，數(shù)值模型共離散為2 407個單元和5 106個節(jié)點(圖4)。計算時，模型頂部自由，左、右邊界施加吸收邊界條件，以減小地震波的反射，底部施加水平地震加速度時程，以模擬地震荷載影響。

圖3 0#滑坡第七條滑坡斷面圖Fig.3 Cross-sectional view of the seventh landslide of 0# landslide group

圖4 滑坡數(shù)值計算模型Fig.4 Numerical calculation model of the landslide

3 模型設(shè)計參數(shù)

3.1 材料參數(shù)

滑帶抗剪強度參數(shù)黏聚力取30 kPa，內(nèi)摩擦角取20°，動力作用結(jié)束后的殘余強度參數(shù)中黏聚力為15 kPa，內(nèi)摩擦角18°。其余各計算參數(shù)如表1所示。

表1 計算參數(shù)Table 1 The calculation parameters

3.2 地震荷載參數(shù)

為了說明不同地震波特性對邊坡的地震反應(yīng)規(guī)律，選用正弦波、玉樹水平波、玉樹豎向波來進行模擬分析。其中正弦波固定頻率為2 Hz，峰值取不同值，分別為0.05g、0.1g、0.2g、0.4g。

玉樹地震中記錄到大量的強震動加速度時程曲線。其中，飛機場布設(shè)有強震觀測臺站，距離結(jié)古鎮(zhèn)約 19 km。機場路滑坡的臨空面指向 E，故本文選用EW向地震波作為玉樹水平波的動力輸入，EW向地震波如圖 5(a)所示。玉樹飛機場強震記錄歷時較長，而對滑坡穩(wěn)定性影響最為明顯的是30～40 s間的地震荷載，從中截取加速度時程曲線如圖5所示。

圖5 玉樹機場地震波時程曲線(30～40 s)Fig.5 Seismic wave time history curve of Yushu Airport (30～40 s)

4 計算結(jié)果及分析

為便于比較峰值加速度放大系數(shù)在豎向上的變化，在計算域內(nèi)指定了三條參考線(圖6)，分別標(biāo)示滑體前部(F)、滑體中后部(M)和滑體后部(R)。為了消除模型邊界(尤其是底部邊界)對計算結(jié)果的影響，計算結(jié)果(峰值加速度放大系數(shù))分析中，計算域各量均是相對于參考點(RP)的成果，其中，放大系數(shù)是計算域各點峰值與參考點峰值的比值。

圖6 參考線位置Fig.6 Reference line position

4.1 輸入正弦波的影響

輸入的正弦波峰值加速度分別為0.05g，0.1g，0.2g，0.4g，通過比較計算結(jié)果(圖7)，可以得出加速度放大系數(shù)隨高度增加而增大，最大值出現(xiàn)在坡頂后緣。峰值加速度為0.05g時，滑塊加速度放大系數(shù)分布與滑床相同。峰值加速度為0.1g、0.2g和0.4g時，滑床上加速度放大系數(shù)發(fā)生無規(guī)律的變化，變化速率隨正弦波峰值加速度增加而增大。

圖7 正弦波作用下加速度放大系數(shù)曲線Fig.7 The acceleration magnification coefficient curve under the action of sine wave

從圖7中數(shù)據(jù)所示的參考線峰值加速度放大系數(shù)來看，滑坡地震響應(yīng)的特點：(1)加速度放大系數(shù)在滑床內(nèi)基本呈線性增大，但在滑面處有明顯間斷。顯示出滑帶對加速度具有強烈的影響，其強度較低，滑帶出現(xiàn)塑性屈服后，加速度峰值不能有效的傳播到滑體內(nèi)。(2)當(dāng)加速度峰值較小時，滑帶的影響不明顯。放大系數(shù)隨高度基本呈線性增大。隨加速度峰值逐漸增大，滑帶的濾波作用越來越明顯。當(dāng)峰值加速度達到0.4g時，甚至出現(xiàn)了滑體內(nèi)放大系數(shù)小于滑帶的現(xiàn)象。(3)從空間上來看，滑帶的濾波作用不是同時發(fā)揮出來的。就本滑坡而言，滑體前部首先出現(xiàn)塑性屈服，濾波作用顯現(xiàn)。如圖7(a)可見。

4.2 輸入玉樹水平波的影響

玉樹水平波峰值加速度輸入值分別為0.05g，0.1g，0.2g，0.3g，0.4g。通過圖8計算結(jié)果的比較，得出加速度放大系數(shù)最小值為0.6左右，出現(xiàn)在坡頂下方距底面1/3滑床高處，向四周輻射增加。對于滑塊，當(dāng)峰值加速度為0.05g，滑塊并未完全破壞，放大系數(shù)隨高度增加而增大。隨著峰值加速度的增加，滑塊放大系數(shù)變化劇烈，分布無規(guī)律。而整個坡體在此過程中，放大系數(shù)在0.8～1.2的區(qū)域不斷擴大，峰值加速度達到0.4g時，已有4/5的土體的放大系數(shù)處于這一區(qū)域。

圖8 玉樹水平波作用下加速度放大系數(shù)曲線Fig.8 The acceleration magnification coefficient curve under the action of Yushu horizontal seismic wave

從圖8中數(shù)據(jù)來看，玉樹水平地震波對加速度放大系數(shù)的影響規(guī)律與正弦波基本類似。加速度放大系數(shù)在滑床內(nèi)呈線性增大，但在滑面處間斷，說明滑帶對加速度具有強烈的影響。當(dāng)加速度峰值較小時，滑帶對加速度的影響較弱，隨著加速度峰值的增大，滑帶的濾波作用越來越顯著。當(dāng)峰值加速度達到0.3g及以上時，甚至出現(xiàn)了滑體內(nèi)放大系數(shù)小于滑帶的現(xiàn)象。

4.3 輸入玉樹豎向波的影響

輸入的地震動豎向波峰值加速度分別為0.1g，0.2g，0.3g，0.4g。在邊坡滑塊沒有發(fā)生較大塑性變形以致滑移破壞時，即加速度峰值為0.1g工況，在垂直方向上，加速度放大系數(shù)表現(xiàn)出隨著高度的增加而增大的變化趨勢；在水平方向上，當(dāng)峰值加速度為0.1g時，加速度等值線向內(nèi)傾斜，即相同高程距離坡面越近，放大系數(shù)越??；當(dāng)峰值加速度為0.2g，0.3g和0.4g時，滑塊發(fā)生較大塑性變形，有整體滑移的傾向，加速度放大系數(shù)由0.6逐漸減小到0.4(圖9)。

圖9 玉樹豎向波加速度放大系數(shù)曲線Fig.9 The acceleration magnification coefficient curve of the reference line under the action of Yushu vertical seismic wave

從圖9中數(shù)據(jù)所示的參考線峰值加速度放大系數(shù)來看，相較于輸入水平地震動，豎向地震動在坡體內(nèi)引起的水平地震峰值加速度放大系數(shù)規(guī)律不太明顯：(1)當(dāng)加速度峰值較小時(0.1g)，計算域內(nèi)引起的水平加速度較為穩(wěn)定，隨高度放大系數(shù)有一定增大。(2)當(dāng)豎向加速度峰值較大時，水平加速度峰值變化規(guī)律性不強，放大系數(shù)較小(一般小于0.5)。(3)豎向加速度所引起的水平加速度變化，仍需要進一步研究。

5 結(jié) 論

通過對玉樹機場路滑坡群0#滑坡第七條塊坡體在正弦波、玉樹水平波、玉樹豎向波的不同加速度峰值條件下邊坡的地震反應(yīng)特性研究，得出如下結(jié)論：

(1)加速度放大系數(shù)在滑床內(nèi)基本呈線性增大，但在滑面處有明顯間斷。

(2)在正弦波、玉樹水平波不同加速度峰值條件下滑帶對加速度的影響規(guī)律一致。當(dāng)加速度峰值較小時，滑帶對加速度的影響較弱，隨著加速度峰值的增大，滑帶的濾波作用越來越顯著。

(3)相較于輸入水平地震動，豎向地震動在坡體內(nèi)引起的水平地震峰值加速度放大系數(shù)規(guī)律不太明顯，仍需要進一步研究。