地震荷載下反傾層狀巖質(zhì)邊坡傾倒變形 破壞規(guī)律及數(shù)值模擬研究

馬文禮 劉赟 魏占璽 董順德

摘 要：為了掌握不同地震荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性能，采用振動臺試驗并結(jié)合離散元數(shù)值模擬對典型反傾層狀巖質(zhì)邊坡進(jìn)行了分析，對地震作用下反傾層狀巖質(zhì)邊坡的動力響應(yīng)特性和變形破壞規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：1）邊坡的頂部和坡面首先出現(xiàn)變形，邊坡開始出現(xiàn)層間錯動導(dǎo)致最終徹底破壞;2）地震波頻率對邊坡的變形破壞有著顯著影響，不同頻率正弦波作用于邊坡時，邊坡上各個地方的加速度響應(yīng)狀況各不相同;3）在頻率較小的正弦波作用下邊坡的頂部及坡面淺表部松動變形，在頻率較大的正弦波作用下邊坡內(nèi)部出現(xiàn)橫向拉張裂縫，拉張裂縫會導(dǎo)致邊坡的崩塌潰壞;4）在數(shù)值模擬分析邊坡的加速度響應(yīng)情況時，從邊坡底部到頂部，隨著高程的不斷增加，其加速度放大系數(shù)增長幅度逐漸增加;5）地震波不僅影響邊坡上監(jiān)測點位加速度響應(yīng)的大小，同時還對不同高程下其加速度響應(yīng)變化情況產(chǎn)生影響。研究結(jié)果顯示了邊坡加速度響應(yīng)數(shù)值模擬分析與振動臺模型試驗結(jié)果的一致性，所得結(jié)論對工程施工參數(shù)設(shè)計具有一定的借鑒價值。

關(guān)鍵詞：地震學(xué);地震荷載;反傾層狀邊坡;傾倒變形;加速度響應(yīng);數(shù)值分析

中圖分類號：TU45;P585文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi： 10.7535/hbgykj.2020yx05004

收稿日期：2020-04-04;修回日期：2020-06-28;責(zé)任編輯：張?軍

第一作者簡介：馬文禮（1983—），男，青海門源人，工程師，主要從事工程地質(zhì)與水文地質(zhì)災(zāi)害防治方面的研究。

通訊作者：劉?赟工程師。E-mail： liulzylw@sina.com

馬文禮，劉赟，魏占璽，等.

地震荷載下反傾層狀巖質(zhì)邊坡傾倒變形破壞規(guī)律及數(shù)值模擬研究

[J].河北工業(yè)科技，2020，37（5）：318-325.

MA Wenli， LIU Yun， WEI Zhanxi，et al.

Numerical simulation study on deformation and failure law of overturning of anti-dip layered rock slope under seismic load[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2020，37（5）：318-325.

Numerical simulation study on deformation and failure law of

overturning of anti-dip layered rock slope under seismic load

MA Wenli1，2，3， LIU Yun1，2，3， WEI Zhanxi1，2，3， DONG Shunde1，2，3

（1.Qinghai Bureau of Environmental Geology Exploration，Xining，Qinghai 810001， China; 2.Qinghai Engineering Research Center of Geo-environment Protection and Disaster Prevention， Xining，Qinghai 810001， China; 3.Key Laboratory of Environmental Geology of Qinghai Province， Xining，Qinghai 810001， China ）

Abstract：

In order to explore the slope stability under different seismic loads， the typical anti-dip layered rock slope was analyzed by shaking table test and discrete element numerical simulation， and the dynamic response characteristics and deformation and failure laws of anti-dip layered rock slope under earthquake were studied. The results show that：1） the top and surface of the slope deform at first， and the interlayer dislocation of the slope begins to appear， which leads to complete failure; 2） the seismic wave frequency has a significant influence on the deformation and failure of the slope， and when sine waves with different frequencies act on the slope， the acceleration response varies from place to place; 3） the loosening and deformation appear on the top and shallow part of the slope under the action of the sine wave with lower frequency， and the transverse tensile cracks appear inside the slope under the action of the sine wave with higher frequency， and the further development of the tension crack finally leads to the collapse of the slope; 4） in the process of numerical simulation analysis of the acceleration response of the slope， the growth rate of acceleration amplification coefficient increases gradually with the increase of elevation from the slope bottom to the top; 5） seismic wave not only affects the acceleration response of each point on the slope， but also affects the change of acceleration response at different elevations. The study shows that the numerical simulation analysis of slope acceleration response is consistent with the shaking table model test results， which has a certain practical significance for the design of construction parameters and the early design and construction of similar projects in the future.

Keywords：seismology; seismic load; anti-dip layered slope; toppling deformation; acceleration response; numerical analysis

地震是一種常見的自然災(zāi)害，其發(fā)生時往往還伴隨著泥石流[1]、滑坡[2]等次生災(zāi)害[3]。隨著中國基礎(chǔ)建設(shè)的高速發(fā)展，在西部山區(qū)修筑公路和隧道等基礎(chǔ)工程的建設(shè)項目逐漸增多，地震荷載下的邊坡穩(wěn)定性問題也隨之顯現(xiàn)[4-5]。

目前，中國針對地震作用下的邊坡穩(wěn)定性能分析還處于初步探索階段。學(xué)者們從不同角度分析了地震荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性能[6-8]。劉新榮等[9]研究了高頻微小地震對于三峽庫區(qū)邊坡的影響，探索了順層狀巖質(zhì)邊坡收到微小地震的響應(yīng)狀況;宋丹青等[10]基于擬靜力法、模型試驗方法、能力分析方法等研究了巖質(zhì)邊坡的地震動力穩(wěn)定性，為以后的相關(guān)研究提供了理論基礎(chǔ);羅洋等[11]通過ABAQUS軟件建模的方法模擬分析了微小地震下邊坡動力響應(yīng)規(guī)律;段彥福等[12]應(yīng)用動力響應(yīng)時程分析法研究了地震加速度下邊坡加固之后的動力響應(yīng)。這些研究通過模型試驗、具體案例分析等方式研究了不同地震荷載作用下順層狀巖質(zhì)邊坡、加筋土雙邊坡的具體響應(yīng)。在已有研究中尚未發(fā)現(xiàn)針對反傾層狀巖質(zhì)邊坡的地震荷載作用下邊坡傾倒變形破壞規(guī)律的研究。

地震荷載下邊坡的動力響應(yīng)對于判斷邊坡的穩(wěn)定性有著很重要的作用，通過振動臺模擬試驗可以分析邊坡的加速度響應(yīng)特征。為了能夠更好地分析地震荷載下反傾層狀巖質(zhì)邊坡的變形和破壞特征，本文通過建立邊坡模型，探討地震作用下邊坡的響應(yīng)規(guī)律，并對在相同頻率正弦波作用下邊坡不同監(jiān)測點位的加速度響應(yīng)特征進(jìn)行數(shù)值模擬分析。通過對比邊坡模型和數(shù)值模擬分析的結(jié)果，驗證邊坡振動臺試驗的準(zhǔn)確性和實際應(yīng)用的可行性。

1?振動臺模型試驗設(shè)計

振動臺試驗使用的模擬振動臺系統(tǒng)是由北京波譜世紀(jì)科技發(fā)展有限公司開發(fā)研制的WS-Z30-50小型精密模擬振動臺系統(tǒng)。其產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.1?試驗相似律

1.1.1?相似關(guān)系

綜合考慮試驗?zāi)康摹⒃O(shè)備技術(shù)參數(shù)、模型特性等因素，選取長度、彈性模量、密度作為主控因素，并且采用基本物理量量綱，取模型長度相似常數(shù)為60，彈性模量相似常數(shù)為3，密度相似常數(shù)為100，依照推導(dǎo)的相似指標(biāo)，求出其余物理量的相似常數(shù)。試驗各物理量的相似常數(shù)如表2所示。

1.1.2?相似材料

以石膏作為相似材料，設(shè)計制作了1∶60的反傾層狀巖質(zhì)邊坡模型。經(jīng)過大量室內(nèi)力學(xué)試驗研究，確定試驗最終配比為水膏體積比為1∶0.8，其物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。

1.2?模型箱設(shè)計與測點布置

試驗中邊坡模型是由單獨的模塊堆砌而成，模塊尺寸為12 cm×6 cm×2 cm。具體的邊坡模型設(shè)計尺寸如圖1 a）所示。

邊坡模型的制作過程可以分為3個階段：

1）按配比配置石膏漿液，澆筑在預(yù)先安置好隔離鋼板的模型箱中，制成與模型箱接觸良好的板材，放入烘干箱中以75°恒溫烘干;

2）將板材擺放在臥放的模型箱中，首先，用記號筆按照設(shè)計好的尺寸進(jìn)行標(biāo)記，盡量保證板材的分割線錯位排列，確保在堆砌的過程中不出現(xiàn)橫向貫通的結(jié)構(gòu)面，然后，取出標(biāo)記好的板材進(jìn)行切割，制作成試驗設(shè)計的模塊，并對模塊按照擺放順序進(jìn)行編號，確保堆砌工作順利進(jìn)行;

3）按比例配置黏結(jié)劑，依據(jù)各模塊編號進(jìn)行堆砌，制作完成的邊坡模型需在自然條件下放置一段時間等待黏結(jié)劑干燥。堆砌過程中依據(jù)涂刷遍數(shù)控制模塊與模塊之間的黏結(jié)強(qiáng)度，確保邊坡模型與模型箱邊界接觸牢固，在振動過程中不產(chǎn)生相對位移。制作完成的邊坡模型如圖2所示。

試驗中共采用了12個加速度傳感器，其中有7個（ZT1—ZT7）屬于振動臺自帶傳感器，另外5個（DC1—DC5）為附加的加速度傳感器。各個加速度傳感器在模型上的布置情況如圖1 b）所示。從圖1 b）邊坡模型的監(jiān)測分布可以看出：模型上的ZT2，ZT7，DC1，DC3這4種傳感器在邊坡模型的坡面上均勻分布;ZT3，ZT5，DC2，DC4這4種傳感器均勻分布在邊坡模型內(nèi)部;ZT4，ZT5，ZT6，ZT7這4種傳感器分布于邊坡模型的同一高度平面上。

1.3?試驗加載制度

為了分析振動試驗過程中邊坡模型的動力特性，在試驗加載過程中多次對邊坡模型施加噪聲激勵。由于與邊坡模型自振頻率相近的正弦波具有比地震波更強(qiáng)的破壞力，可以在振動臺允許的加載范圍內(nèi)持續(xù)增加振動強(qiáng)度，直至邊坡模型破壞，因此，試驗選擇正弦波作為震源，選擇加載5，15，25 Hz 3種頻率的正弦波，振動時間保持10 s。

正弦波用正弦波信號發(fā)生器（sine wave generator）自動生成[13-15]。圖3為振幅0.1g、持續(xù)時間10 s、頻率5 Hz的正弦波加速度時程曲線。試驗過程中通過改變正弦波的頻率來研究邊坡的振動響應(yīng)特征。

2?地震作用下的邊坡響應(yīng)規(guī)律

試驗主要分析在不同頻率正弦波振動荷載下，在坡面、坡內(nèi)豎向、水平位置上的加速度傳感器響應(yīng)。

2.1?正弦波作用下邊坡加速度響應(yīng)峰值變化規(guī)律

1）5 Hz正弦波作用

在5 Hz正弦波作用下邊坡加速度響應(yīng)圖如圖4所示。

從圖4中可以發(fā)現(xiàn)：在5 Hz正弦波的作用下，邊坡模型的坡面、坡內(nèi)和同一水平高度上的加速度響應(yīng)峰值都呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。當(dāng)振幅超過0.2g時，隨著振幅的增加，邊坡模型下部監(jiān)測點的加速度響應(yīng)增長速度慢慢變緩。當(dāng)振幅小于0.2g時，邊坡上各個監(jiān)測點的加速度響應(yīng)峰值變化趨勢一致。從圖4 c）中可以看出當(dāng)監(jiān)測點處于同一高度時，隨著振幅的逐漸增加，其各個監(jiān)測點的加速度響應(yīng)峰值保持一致。說明在相同高度下，邊坡模型上監(jiān)測點的加速度響應(yīng)峰值隨正弦波（5 Hz）振動強(qiáng)度的變化規(guī)律保持基本一致。

通過設(shè)計邊坡的模型試驗，探討了地震作用下反傾層狀巖質(zhì)邊坡變形的破壞機(jī)理，并結(jié)合數(shù)值模擬軟件分析了邊坡不同高程下的加速度響應(yīng)情況，得出以下結(jié)論。

1）反傾層狀巖質(zhì)邊坡在地震的荷載下首先出現(xiàn)變形的位置是邊坡的頂部和坡面。隨著振動和振幅的增加，坡體出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象，滑坡的出現(xiàn)進(jìn)一步加劇了邊坡頂部和坡面的破壞。隨著邊坡開始出現(xiàn)層間錯動導(dǎo)致最終的邊坡徹底破壞。

2）地震波的頻率對于反傾層狀巖質(zhì)邊坡的動力響應(yīng)有很大的影響。不同頻率正弦波作用于邊坡時，其不同地方的加速度響應(yīng)狀況各不相同。當(dāng)頻率為15 Hz的地震波施加于邊坡時，其動力響應(yīng)表現(xiàn)出很明顯的高程放大效應(yīng);當(dāng)模擬地震的正弦波頻率小于或者大于15 Hz時，反傾層狀巖質(zhì)邊坡上各部位的加速度放大系數(shù)下降。地震波的頻率不僅能夠影響邊坡的加速度響應(yīng)規(guī)律，還能影響邊坡上加速度響應(yīng)大小分布的范圍。

3）在數(shù)值模擬分析邊坡的加速度響應(yīng)情況時，當(dāng)正弦波為15 Hz時，隨著邊坡距離地面的高程逐漸增加，坡面和坡內(nèi)的加速度放大系數(shù)也逐漸增加，當(dāng)高程較小時，其加速度放大系數(shù)增加的更明顯。從邊坡底部到頂部，隨著高程的不斷增加，其加速度放大系數(shù)增長幅度逐漸增加。

4）邊坡加速度響應(yīng)數(shù)值模擬與振動臺模型試驗中的加速度放大系數(shù)變化情況一致，說明數(shù)值模擬分析能夠很好地反映振動臺模型試驗結(jié)果，試驗結(jié)果具有良好的指導(dǎo)作用。

由于邊坡動力響應(yīng)問題復(fù)雜、振動臺模型試驗工作量大、以及試驗條件的限制，本研究還有一些問題有待深入研究：1）試驗在層狀邊坡的模擬并不能完全模擬反傾層狀邊坡的真實結(jié)構(gòu)，今后應(yīng)加強(qiáng)數(shù)值模擬在巖層接觸關(guān)系方面的研究;2）在水平向振動研究的基礎(chǔ)上，研究邊坡在豎向地震力作用下的動力響應(yīng)特性和變形破壞規(guī)律。

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