軟弱夾層位置變化對地震荷載作用下的動力響應(yīng)數(shù)值研究

丁 磊

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，烏魯木齊 830000)

1 概 述

邊坡的穩(wěn)定是非常復(fù)雜的問題，一直是研究的熱點(diǎn)，含有軟弱夾層的邊坡穩(wěn)定問題尤其值得關(guān)注。在地震荷載的影響下，邊坡容易受到破壞，加強(qiáng)對其穩(wěn)定性研究有助于減少地震災(zāi)害的影響。

邊坡穩(wěn)定性研究始于上世紀(jì)30年代，當(dāng)時主要集中于土質(zhì)邊坡[1]。由于巖性邊坡更加穩(wěn)定，之后又對巖性邊坡開展了一些研究[2-3]。在實際中，邊坡的材質(zhì)往往是多種多樣的，含有軟弱夾層的邊坡非常普遍，而軟弱夾層是邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵因素[4]。費(fèi)先科[5]在前人研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行總結(jié)分析，進(jìn)而提出適用于含有軟弱夾層邊的坡穩(wěn)定性計算方法。孫廣忠[6]、楊令強(qiáng)[7]、茍水泉[8]等采用不同試驗對含有軟弱夾層的邊坡進(jìn)行相關(guān)研究。劉立平[9]、許寶田[10]等在試驗的基礎(chǔ)上將數(shù)值模擬應(yīng)用于含有軟弱夾層的邊坡穩(wěn)定相關(guān)研究中，并取得了一定的成果。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以有限元軟件FLAC3D為基礎(chǔ)，對不同地震荷載作用下軟弱夾層布置位置對邊坡穩(wěn)定性的影響展開研究，為邊坡的穩(wěn)定性研究提供理論依據(jù)。

2 模型建立

本文以大型有限元軟件FLAC3D為基礎(chǔ)，對在不同地震荷載作用下邊坡內(nèi)含有的軟弱夾層位置變化動力響應(yīng)問題進(jìn)行數(shù)值分析。本文中選取的模型邊坡基礎(chǔ)高度20 m，坡高20 m，邊坡角度45°，坡頂寬度50 m，坡頂距離基礎(chǔ)底部距離40 m，邊坡寬度100 m，邊坡長度1 m。根據(jù)實際研究需要不同，將邊坡內(nèi)軟弱夾層以垂向5 m為基礎(chǔ)逐漸向上移動，分別設(shè)置在坡腳、四分之一坡高、二分之一坡高、四分之三坡高、坡頂位置處，見圖1。坡面和坡內(nèi)測點(diǎn)布置見圖2。

圖1 軟弱夾層布置位置圖

圖2 測點(diǎn)布置位置圖

針對以上幾種布置方案進(jìn)行邊界條件的設(shè)置。材料方面硬質(zhì)邊坡選擇軟巖、軟質(zhì)夾層選擇黏土，對應(yīng)的材料參數(shù)見表1。本構(gòu)模型選擇Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型。邊坡底部采用全固定邊界，邊坡兩側(cè)采用水平位移約束，垂向不進(jìn)行特殊設(shè)置使邊坡受重力荷載作用變化，局部阻尼系數(shù)為0.16。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格總數(shù)653 210個。

表1 模型材料

對于地震荷載采用單個簡諧脈沖，有單向脈沖地震波、雙向脈沖地震波、無脈沖地震波3種波形，施加方式采用應(yīng)力、集中力時程，具體波形見圖3。

圖3 地震脈沖波形圖

3 結(jié)果分析

3.1 坡面加速度分析

在3種地震荷載作用下，軟弱夾層布置在不同位置的坡面加速度變化曲線見圖4。

圖4 坡面加速度放大系數(shù)沿高程變化曲線

根據(jù)圖4可知，坡面加速度放大系數(shù)隨著高程的增加先平穩(wěn)定變化，然后急劇增加，出現(xiàn)明顯的跳躍，最后平穩(wěn)增加。從坡腳到四分之三坡高位置處，軟弱夾層布置位置逐漸上升，加速度放大系數(shù)平穩(wěn)段范圍逐漸增大，說明軟弱夾層下面相對較穩(wěn)定。在較低位置處雙脈沖、單脈沖和無脈沖地震荷載作用下的加速度放大系數(shù)逐漸減小。隨著高程的增加，單脈沖地震荷載作用下的加速度放大系數(shù)逐漸大于雙脈沖地震荷載作用下的加速度放大系數(shù)。最終在坡頂位置處不同脈沖地震荷載作用下的加速度放大系數(shù)基本一致，放大系數(shù)隨著高程變化呈現(xiàn)類似線性變化。

3.2 坡內(nèi)加速度分析

在3種地震荷載作用下，軟弱夾層布置在不同位置的坡內(nèi)加速度變化曲線見圖5。

由圖5可知，坡內(nèi)加速度放大系數(shù)沿高程變化曲線與坡面變化趨勢基本一致。在坡腳位置處，兩者分布趨勢基本一致，但是在四分之一位置處單脈沖地震荷載作用下的加速度放大系數(shù)已經(jīng)開始大于雙脈沖地震荷載作用下的加速度放大系數(shù)。軟弱夾層在邊坡中間位置處時，坡腳處3種地震荷載作用下的加速度放大系數(shù)開始出現(xiàn)不同，雙脈沖、單脈沖和無脈沖荷載作用下的加速度放大系數(shù)逐漸減小。在坡頂位置處，單脈沖地震荷載作用下的加速度放大系數(shù)最小，對比分析發(fā)現(xiàn)，坡內(nèi)和坡面的加速度放大系數(shù)基本分布一致，當(dāng)軟弱夾層在較高位置時，坡腳加速度放大系數(shù)出現(xiàn)明顯不同。

圖5 坡內(nèi)加速度放大系數(shù)沿高程變化曲線

3.3 夾層位置變化影響

在單脈沖、雙脈沖和無脈沖地震荷載作用下，不同軟弱夾層位置的加速度放大系數(shù)隨坡高變化曲線分別見圖6、圖7、圖8。

圖6 單脈沖地震荷載作用下加速度放大系數(shù)

由圖6、圖7、圖8可知，加速度放大系數(shù)隨著軟弱夾層布置位置的升高逐漸減小，但是在變化過程中有所區(qū)別。由圖6可知，在單脈沖地震荷載作用下，坡面和坡內(nèi)的加速度放大系數(shù)變化趨勢有所區(qū)別，軟弱夾層布置在四分之一坡高位置時，夾層以下加速度放大系數(shù)較小，軟弱夾層以上加速度放大系數(shù)較大。由圖7可知，坡面和坡內(nèi)加速度放大系數(shù)基本一致。在圖8中，軟弱夾層布置在邊坡中間位置時坡內(nèi)和坡面加速度放大系數(shù)有所區(qū)別。

圖7 雙脈沖地震荷載作用下加速度放大系數(shù)

圖8 無脈沖地震荷載作用下加速度放大系數(shù)

4 結(jié) 論

本文采用有限元軟件FLAC3D對邊坡內(nèi)軟弱夾層的位置變化在不同地震荷載作用下的動力響應(yīng)問題進(jìn)行數(shù)值分析，得出以下結(jié)論：

1) 隨著高程增加，邊坡加速度放大系數(shù)先出現(xiàn)平穩(wěn)增加，然后出現(xiàn)跳躍迅速增加，最后平穩(wěn)增加。

2) 當(dāng)邊坡系數(shù)布置在較低位置時，加速度放大系數(shù)在雙脈沖地震荷載作用時最大，無脈沖地震荷載作用時最小；隨著軟弱夾層布置位置增加，加速度放大系數(shù)在單脈沖地震荷載作用時最大，無脈沖地震荷載作用時最小。

3) 邊坡加速度放大系數(shù)隨著軟弱夾層布置位置增加逐漸減小，說明軟弱夾層布置位置越高邊坡穩(wěn)定性越好，建議將軟弱夾層布置在較高位置。