近斷層地震動(dòng)作用下易液化深厚覆蓋層場(chǎng)地上高土石壩動(dòng)力響應(yīng)

李 闖,宋志強(qiáng),劉升歡

(西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710048)

在水能資源豐富的中國(guó)西部地區(qū),大型土石壩工程的建設(shè)不可避免的需要面臨強(qiáng)震頻發(fā)、河床覆蓋層地基深厚等問題[1],且在強(qiáng)震地區(qū)的覆蓋層預(yù)期會(huì)出現(xiàn)一系列松散的可液化土層[2]。其中,某些擬建或在建的高土石壩工程更是位于近斷層區(qū),近斷層地震動(dòng)常具長(zhǎng)周期速度和位移脈沖特征,更易誘發(fā)覆蓋層中的軟弱土層液化[3]。對(duì)于此類土石壩的抗震安全設(shè)計(jì),更應(yīng)該明確土層液化對(duì)壩體抗震安全性能的影響規(guī)律。因此,有必要開展近斷層地震動(dòng)對(duì)深厚覆蓋層地基液化(影響機(jī)制研究,揭示液化對(duì)高土石壩抗震性能影響規(guī)律,為該地區(qū)深厚覆蓋層場(chǎng)地上高土石壩設(shè)計(jì)及建設(shè)提供理論參考。

Green等[3-5]開展了近斷層地震動(dòng)作用下的場(chǎng)地響應(yīng)分析,通過近斷層地震動(dòng)液化觸發(fā)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比,認(rèn)為脈沖型地震動(dòng)觸發(fā)軟土地基液化的可能性更高。Davoodi等[6]對(duì)比分析了遠(yuǎn)場(chǎng)和近斷層地震動(dòng)作用下土石壩的地震響應(yīng),發(fā)現(xiàn)隨著地震動(dòng)強(qiáng)度和材料非線性特性的增強(qiáng),脈沖型地震動(dòng)的影響愈發(fā)顯著。董文悝等[7]分析發(fā)現(xiàn)近斷層脈沖型地震動(dòng)作用下場(chǎng)地土層將產(chǎn)生更大的孔隙水壓力。此外,Bayraktar等[8-10]研究發(fā)現(xiàn)近斷層地震動(dòng)對(duì)不同類型大壩響應(yīng)均有顯著影響。Zou等[11]通過研究發(fā)現(xiàn)近斷層地震動(dòng)對(duì)壩體殘余變形有不可忽略的影響。Wu等[12-13]研究了近斷層地震動(dòng)作用下可液化薄覆蓋層地基上黏土心墻土石壩動(dòng)力響應(yīng)特征,發(fā)現(xiàn)大幅值的脈沖作用使得軟弱土層中動(dòng)孔壓比短時(shí)間內(nèi)迅速上升,并且產(chǎn)生較大范圍的液化區(qū)。

綜上可見,目前對(duì)于近斷層脈沖地震動(dòng)作用下的壩體響應(yīng)研究多集中在混凝土壩[14-16]或者覆蓋層場(chǎng)地響應(yīng)方面[17],對(duì)于深厚覆蓋層中的軟弱土層液化觸發(fā)以及對(duì)其上土石壩響應(yīng)的影響,關(guān)注較少。因此,本文提出了改進(jìn)的孔壓-變形耦合分析方法,考慮永久變形的累積發(fā)展過程和對(duì)土層液化、系統(tǒng)響應(yīng)的影響,開展了近斷層脈沖和非脈沖地震動(dòng)作用下,深厚覆蓋層中軟弱土層液化特性及對(duì)其上瀝青混凝土心墻土石壩響應(yīng)研究,揭示近斷層脈沖特性對(duì)土層液化的觸發(fā)影響機(jī)制,分析了液化對(duì)覆蓋層-壩體地震響應(yīng)的影響規(guī)律。

1 孔壓-變形耦合的有效應(yīng)力分析方法

常規(guī)的等效線性計(jì)算方法不能考慮動(dòng)力過程中孔隙水壓力的產(chǎn)生和累積過程,即假定土體有效應(yīng)力為靜力總應(yīng)力且在地震過程中保持不變。實(shí)際上,土體有效應(yīng)力隨著動(dòng)孔隙水壓力的產(chǎn)生和累積而下降,致使土體動(dòng)剪切模量降低、動(dòng)應(yīng)變?cè)龃?進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)產(chǎn)生的影響。

為了開展本文研究,需引入孔壓模型并實(shí)現(xiàn)有效應(yīng)力計(jì)算分析方法。截至目前,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者將動(dòng)孔壓和不同的動(dòng)參數(shù)聯(lián)系起來(lái),建立了眾多孔壓模型。其中沈珠江修正的Martin孔壓模型[18-20],從不排水試驗(yàn)出發(fā),采用動(dòng)應(yīng)變?yōu)閰⒆兞?直觀且有效,孔壓增量與動(dòng)應(yīng)變的關(guān)系表示為

Δu=MuΔε=Ku(σe)1/2Δεv

(1)

(2)

式中:Δεv為振動(dòng)ΔN次產(chǎn)生的殘余體應(yīng)變;Ne為有效荷載次數(shù);c1、c2、c3、c4、c5為土體試驗(yàn)所得計(jì)算參數(shù);Rs為應(yīng)力水平。

一般來(lái)說(shuō),覆蓋層土體在強(qiáng)地震動(dòng)作用下,會(huì)產(chǎn)生較大的不可恢復(fù)的累積塑性變形,如果忽略此變形會(huì)對(duì)動(dòng)力計(jì)算準(zhǔn)確性造成一定程度的影響,特別是針對(duì)飽和砂土因動(dòng)孔壓增長(zhǎng)造成強(qiáng)度喪失、覆蓋層地基承載力急劇下降的液化過程。因此本文提出了改進(jìn)的孔壓-變形耦合有效應(yīng)力分析方法(improved effective stress,IES)。

該方法的計(jì)算流程如圖1所示。利用ABAQUS平臺(tái)的重啟動(dòng)功能,將整個(gè)地震過程劃分成數(shù)個(gè)微小時(shí)段,并假定在該小時(shí)段內(nèi)土體為黏彈性介質(zhì),即土體動(dòng)剪切模量和阻尼比等動(dòng)力特性保持不變。

圖1 改進(jìn)的有效應(yīng)力法計(jì)算流程圖Fig.1 Calculation flow chart

在每一個(gè)計(jì)算時(shí)段末增加通過重啟動(dòng)的方式,將永久變形增量以等效節(jié)點(diǎn)力的方式施加于結(jié)構(gòu)中并進(jìn)行振動(dòng)孔隙水壓力增量計(jì)算。將本時(shí)段動(dòng)力變形和永久變形疊加得出的總變形作為當(dāng)前時(shí)刻的實(shí)際應(yīng)變,實(shí)現(xiàn)考慮累積塑性變形的動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算;更新土體單元的有效應(yīng)力狀態(tài),調(diào)整土體動(dòng)力特性,并作為下一時(shí)段土體動(dòng)剪切模量和阻尼比調(diào)整的依據(jù)。

同時(shí)為了對(duì)比本文方法,將不考慮孔壓發(fā)展的總應(yīng)力法也進(jìn)行了改進(jìn)總應(yīng)力法(improved total stress,ITS),同樣考慮永久變形的累積發(fā)展和影響,即將每時(shí)段末的永久變形,以等效節(jié)點(diǎn)力的形式施加到動(dòng)力模型中并參與下一時(shí)段的計(jì)算。

2 有限元分析模型及地震動(dòng)選取

2.1 計(jì)算模型及參數(shù)

選取某易液化深厚覆蓋層上實(shí)際瀝青混凝土心墻土石壩工程為研究對(duì)象,建立覆蓋層地基及壩體二維有限元分析模型,如圖2所示。其中瀝青心墻壩高100 m,壩頂寬度10 m,上游在高40 m處設(shè)置寬6 m的馬道,馬道以上壩坡為1∶2.15,以下壩坡為1∶2.45;下游在高20、70 m處各設(shè)置寬6 m馬道,20 m高程以上壩坡為1∶1.8,以下壩坡1∶1.9,心墻頂部寬度為1 m,底部寬度為4 m,上游水位高90 m。覆蓋層地基總厚度為200 m,從上至下依次簡(jiǎn)化為上覆蓋黏土層、易液化細(xì)砂夾層、下臥密砂層?？紤]到若軟弱細(xì)砂夾層處于深厚覆蓋層的深部,由于初始應(yīng)力較大,發(fā)生液化的概率較低;若夾層埋深較淺時(shí),在工程中一般會(huì)考慮置換軟弱土層,因此取上臥層30 m,軟弱夾層厚20 m。其中單元總數(shù)為4 799,結(jié)點(diǎn)總數(shù)為4 948。

圖2 深厚覆蓋層-瀝青混凝土心墻壩有限元模型Fig.2 Finite element model of deep overburden-asphalt concrete core dam

覆蓋層和壩體材料靜力本構(gòu)采用鄧肯張E-B模型,動(dòng)力本構(gòu)采用等效線性黏彈性模型。靜、動(dòng)力參數(shù)分別如表1、表2[21]所示。

表1 壩體材料計(jì)算參數(shù)Tab.1 Static material Duncan Zhang E-B parameters

表2 覆蓋層土體計(jì)算參數(shù)Tab.2 Dynamic materials and permanent deformation parameters

2.2 近斷層地震動(dòng)的選取和輸入

從太平洋地震工程研究中心(Pacific earthquake engineering research center,PEER)的近斷場(chǎng)地震動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中,分別選取一組脈沖型地震動(dòng)和一組非脈沖型地震動(dòng)(每組各7條地震波)。近斷層地震動(dòng)選取的一般原則為:斷層距RUP小于20 km;近斷層地震動(dòng)脈沖型地震選取的原則為:PGV/PGA>0.2;且PGA>0.1g。選取各近斷層地震動(dòng)記錄特征參數(shù)如表3所示。為了得到可比較的震級(jí)強(qiáng)度,將各地震動(dòng)的峰值統(tǒng)一調(diào)整為0.3g,并將各條地震動(dòng)記錄統(tǒng)一截取為歷時(shí)為20 s的地震波數(shù)據(jù)。

表3 近斷層地震動(dòng)特征參數(shù)Tab.3 Near-fault ground motions characteristic parameters

圖3為各條近斷層地震動(dòng)的加速度反應(yīng)譜?？梢钥闯?在加速度反應(yīng)譜的長(zhǎng)周期段,特別是大于0.5 s的區(qū)域內(nèi),脈沖型地震動(dòng)的加速度放大系數(shù)β明顯大于非脈沖型地震動(dòng)的,脈沖型地震動(dòng)反應(yīng)譜有較寬的加速度敏感段,極有可能引起地上長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)較高的加速度反應(yīng)[22-25],這對(duì)于土石壩這一典型長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)的液化安全性和抗震穩(wěn)定性提出了更高的要求。

圖3 地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜Fig.3 Acceleration response spectrum of ground motion

本文針對(duì)深厚覆蓋層場(chǎng)地地震動(dòng)的輸入,借鑒了一種地震動(dòng)非線性輸入方式——采用人工邊界單元模擬遠(yuǎn)域地基,以等效結(jié)點(diǎn)荷載的形式施加覆蓋層自由場(chǎng)反應(yīng)的地震動(dòng)輸入方法[26]。該方法考慮了人工邊界參數(shù)和等效節(jié)點(diǎn)荷載隨覆蓋層地基邊界土體動(dòng)剪應(yīng)變的變化而非線性變化,實(shí)現(xiàn)了覆蓋層地基截?cái)噙吔缣幍臏?zhǔn)確、高效的地震動(dòng)輸入,相對(duì)于取較大計(jì)算范圍的遠(yuǎn)置邊界顯著減小了計(jì)算規(guī)模,縮短了計(jì)算時(shí)長(zhǎng)。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 軟弱夾層液化特性

圖4給出非脈沖地震動(dòng)記錄NP1作用下,地震結(jié)束時(shí)刻孔隙水壓力與孔壓比分布圖。其中,ITS為不考慮孔隙水壓力的改進(jìn)總應(yīng)力法計(jì)算結(jié)果,結(jié)合孔壓插值法所得土體液化區(qū)。當(dāng)孔壓比達(dá)到1時(shí),土體有效應(yīng)力降低至零,認(rèn)為土體達(dá)到液化狀態(tài)。

(a) 孔壓分布圖(IES)

從圖4(a)可知,非脈沖型地震動(dòng)作用下,孔隙水壓力較大的部位主要集中于壩體底部處的軟弱夾層和下臥層底部土體處,但因初始有效應(yīng)力較大,受震后該區(qū)域孔壓比并未達(dá)到液化程度,反而是夾層上下游側(cè)的土體在地震結(jié)束達(dá)到液化狀態(tài)。從圖4(b)可以看出,最終液化區(qū)較薄,主要集中于軟弱夾層的上部分土體中,且液化區(qū)域有向壩體底部侵入的傾向。從圖4(c)可知,總應(yīng)力法所得液化區(qū)和有效應(yīng)力法結(jié)果雖然位置相同,但分布面積卻遠(yuǎn)大于有效應(yīng)力法,可見對(duì)于本算例NP1地震動(dòng)記錄作用下總應(yīng)力法液化計(jì)算結(jié)果偏于保守。

圖5給出了脈沖型地震動(dòng)記錄P1作用,地震結(jié)束時(shí)刻孔隙水壓力與孔壓比分布圖。從圖5(a)可知,脈沖型地震動(dòng)下,孔隙水壓力較大的部位主要集中于壩體底部處的軟弱夾層土體中,遠(yuǎn)處的夾層土體中孔壓相對(duì)較小。從圖5(b)可以看出,震后液化區(qū)域中心主要集中于壩腳處的夾層土體中部,液化區(qū)雖未向上下邊界處貫穿,但更“厚”更集中,和非脈沖型地震動(dòng)下的有明顯區(qū)別。從圖5(c)中可以看出,總應(yīng)力法所得液化區(qū)和有效應(yīng)力法所得類似,但液化區(qū)分布及面積相差較大。

(a) 孔壓分布圖(IES)

綜上,改進(jìn)的總應(yīng)力法結(jié)合孔壓插值法,雖然能夠根據(jù)有限元?jiǎng)恿Ψ治鲞^程中最大響應(yīng),判定地震過程中的可能液化區(qū)。但是存在缺點(diǎn):① 對(duì)于近斷層非脈沖型地震動(dòng)下的液化區(qū),孔壓插值法所得液化區(qū)偏保守,有較大液化區(qū);② 對(duì)于近斷層脈沖型地震動(dòng)與非脈沖型地震動(dòng)的液化判別不敏感,結(jié)果差異不大;③ 總應(yīng)力方法無(wú)法表達(dá)地震過程中動(dòng)孔隙水壓力的增長(zhǎng)和累積過程。因此本節(jié)選用IES法展開下面討論。

為了更直觀、更形象的了解夾層液化情況,取夾層中上下游壩腳底部?jī)蓚€(gè)點(diǎn)、以及距離此兩點(diǎn)一倍壩高距離處的四個(gè)點(diǎn)和壩體底部中心處共七個(gè)點(diǎn)位,各點(diǎn)位置示意如圖2。

將各近斷層非脈沖型地震動(dòng)下最終孔壓比值,匯總于圖6。從圖6可以看出,在非脈沖型地震動(dòng)作用下,點(diǎn)位1、2、6和點(diǎn)位7處的孔壓比值較大,多數(shù)地震動(dòng)下達(dá)到液化觸發(fā)條件(u/σ0=1);點(diǎn)位3處與點(diǎn)位5處的孔壓比值相差不大,一般小于0.75;點(diǎn)位4處孔壓比值最小,一般小于0.6。這說(shuō)明,近斷層非脈沖型地震動(dòng)作用下,液化區(qū)域在水平向的分布較廣,距離壩腳一倍壩高處的軟弱夾層土體多數(shù)情況下達(dá)到液化觸發(fā)條件,且有從壩腳向壩底部侵入的趨勢(shì),這對(duì)壩體抗震安全穩(wěn)定性提出了巨大挑戰(zhàn)。

圖6 非脈沖型地震動(dòng)作用下,各特征點(diǎn)的孔壓比Fig.6 Pore pressure ratio under non-pulse ground motion

將各近斷層脈沖型地震動(dòng)下最終孔壓比值,匯總于圖7。從圖7可以看出,相比于非脈沖型地震動(dòng),脈沖型地震動(dòng)作用下的區(qū)別主要在:① 點(diǎn)位1和點(diǎn)位7處的孔壓比值u/σ0一般小于0.78(除P1外);② 點(diǎn)位3處孔壓比一般大于點(diǎn)位5處,且尚未達(dá)到液化觸發(fā)條件。

圖7 脈沖型地震動(dòng)作用下,各特征點(diǎn)的孔壓比Fig.7 Pore pressure ratio under pulse ground motion

將各近斷層脈沖、非脈沖型地震動(dòng)下最終孔壓比均值,匯總于圖8。如圖8所示,點(diǎn)位1和點(diǎn)位7處的孔壓比均值,非脈沖地震動(dòng)大于脈沖地震動(dòng)作用下的,點(diǎn)位2處兩種類型地震動(dòng)下的一致,點(diǎn)位3、5和點(diǎn)位6處則是脈沖型的較大。這說(shuō)明上下游距壩腳較遠(yuǎn)處(一倍壩高)的夾層土體中,脈沖型地震動(dòng)下的有效應(yīng)力降低程度較非脈沖的小,最大差異在0.40;上游壩腳處夾層土體均已達(dá)到液化狀態(tài),而下游壩腳處夾層土體中尚未達(dá)到液化觸發(fā)條件,且脈沖型地震動(dòng)下的有效應(yīng)力降低程度較大;由壩腳向壩底中心一倍壩高處夾層土體及壩底中心處(點(diǎn)位4),脈沖型地震動(dòng)下孔壓均值較大,但差異較小。

圖8 各類型地震動(dòng)作用下,特征點(diǎn)孔壓比均值Fig.8 Pore water pressure ratio at characteristic points

將各地震動(dòng)下,點(diǎn)位2處的孔壓比隨時(shí)間發(fā)展曲線如圖9所示。從圖9可知,點(diǎn)位2處,各條非脈沖型地震動(dòng)下的孔壓比發(fā)展期主要集中于地震過程前14 s,僅有兩條地震動(dòng)在8 s時(shí)孔壓比達(dá)到1,孔壓比上升較緩。而脈沖型地震動(dòng)下,孔壓比發(fā)展期主要集中于地震過程2～7 s,孔壓比短時(shí)間內(nèi)急劇上升,最終累積孔壓比的數(shù)值普遍接近于1,這和脈沖型地震動(dòng)脈沖特性密切相關(guān)。

圖9 特征點(diǎn)位2處孔壓比時(shí)程曲線Fig.9 Time-history curve of pore water pressure ratio at each characteristic point

為探究孔壓發(fā)展規(guī)律和脈沖型地震動(dòng)運(yùn)動(dòng)特性的關(guān)系,將該點(diǎn)位2處在脈沖型和非脈沖型地震動(dòng)作用下的孔壓比發(fā)展時(shí)程曲線與對(duì)應(yīng)地震動(dòng)速度時(shí)程對(duì)比,繪制于圖10。從圖10(a)可以看出,脈沖地震動(dòng)能量大約集中在2～6 s的時(shí)間段內(nèi),相應(yīng)地,在此脈沖期間孔壓比曲線急劇增長(zhǎng),該處土體有效應(yīng)力迅速降低,這對(duì)地上高土石壩結(jié)構(gòu)的液化安全穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的威脅。從圖10(b)可以看出,非脈沖地震動(dòng)作用下,孔壓增長(zhǎng)從1 s緩慢增加,一直持續(xù)到15 s左右,孔壓比的緩慢增長(zhǎng)對(duì)孔隙水壓力的消散和土體的抗液化有利。

(a) 脈沖地震動(dòng)P1

3.2 軟弱夾層液化對(duì)系統(tǒng)加速度響應(yīng)影響分析

本節(jié)基于有效應(yīng)力方法和改進(jìn)后的總應(yīng)力方法,將各近斷層地震動(dòng)作用下壩軸線加速度放大系數(shù)沿高度的分布規(guī)律如圖11所示,并在圖中用陰影標(biāo)識(shí)軟弱夾層位置。

圖11 各類型地震動(dòng)下加速度放大系數(shù)沿高度變化曲線Fig.11 Curve of acceleration amplification coefficient along depth

如圖11所示,在不考慮動(dòng)孔壓的影響情況下,深厚覆蓋層對(duì)非脈沖型地震動(dòng)下的水平向加速度有削弱作用,對(duì)于壩底部處的加速度放大系數(shù)一般小于1;而對(duì)脈沖型地震動(dòng)下的并無(wú)削弱作用,在下臥層土體表層一般就已大于1。對(duì)于壩體底部和壩頂處的加速度放大系數(shù),脈沖型地震動(dòng)下遠(yuǎn)大于非脈沖型地震動(dòng)的。究其原因,主要是軟弱夾層對(duì)非脈沖型地震動(dòng)體現(xiàn)了明顯的二次削弱作用,而對(duì)脈沖型地震動(dòng)下并無(wú)體現(xiàn)?？紤]動(dòng)孔壓的影響后,深厚覆蓋層中大部分的土體加速度響應(yīng)有不同程度的降低,使得壩體、特別是中上部壩體的加速度響應(yīng)有明顯的減小趨勢(shì)。

將考慮動(dòng)孔壓的影響前、后,各地震動(dòng)作用下的壩軸線上,壩底與壩頂處的水平向加速度放大系數(shù)匯總于表4。從表可知,對(duì)于近斷層地震動(dòng)作用下的壩頂和壩底處,動(dòng)孔壓使得加速度放大系數(shù)有不同程度的減小,具體有:對(duì)于壩頂處的加速度響應(yīng),非脈沖地震動(dòng)作用下,考慮動(dòng)孔壓影響后結(jié)果平均減小29.0%,最大減少39.3%;脈沖地震動(dòng)作用下,考慮動(dòng)孔壓影響后所得結(jié)果平均減小21%,最大減少26.3%。對(duì)于壩底部處的加速度響應(yīng),非脈沖地震動(dòng)作用下,考慮動(dòng)孔壓影響后所得結(jié)果平均減小12%,最大減小49.2%;各脈沖地震動(dòng)作用下,考慮動(dòng)孔壓影響后所得結(jié)果最大減小20.5%。

表4 考慮動(dòng)孔壓影響前、后壩體加速度放大系數(shù)Tab.4 The acceleration amplification coefficients of the dam whether the dynamic pore pressure is consedered or not

綜上可見,有效應(yīng)力法能夠考慮動(dòng)力過程中累積孔隙水壓力的影響,使得土體動(dòng)孔隙水壓力增長(zhǎng)、有效應(yīng)力下降,土體變“軟”并吸收了地震動(dòng)能量,從而造成了系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)有所減小。因此,針對(duì)建立在易液化深厚覆蓋層上的高土石壩系統(tǒng),有必要展開有效應(yīng)力分析研究。如果采用簡(jiǎn)化的總應(yīng)力法(ITS)則會(huì)造成響應(yīng)較大程度的高估,使得計(jì)算結(jié)果偏于保守。

對(duì)于壩頂、壩底處的加速度響應(yīng),脈沖型地震動(dòng)下的加速度放大系數(shù)總是比非脈沖型地震動(dòng)的大,具體有:總應(yīng)力法下,在壩頂處的脈沖型地震動(dòng)與非脈沖型地震動(dòng)的差異在0.59,增大了37.44%,在壩底處的差異在0.74,增大了131.01%;有效應(yīng)力法下,在壩頂處脈沖型地震動(dòng)與非脈沖型地震動(dòng)的差異在0.60,擴(kuò)大了54.06%,在壩底處的差異在0.81,擴(kuò)大了164.80%?？梢钥闯?對(duì)于脈沖與非脈沖型地震動(dòng)下的壩頂和壩底處加速度放大系數(shù),有效應(yīng)力法下計(jì)算差異更大,說(shuō)明了進(jìn)行有效應(yīng)力分析的必要性。

以NP1、P1為例,取上游壩腳處為原點(diǎn),并規(guī)定向下游方向距離為正,將覆蓋層底部輸入的水平向加速度峰值,與考慮孔壓前、后的壩體底部水平向加速度峰值分布,如圖12所示。

(a) 非脈沖型地震動(dòng)NP1

從圖12(a)可知,非脈沖地震動(dòng)NP1作用下,覆蓋層底部輸入地震動(dòng)輸入一般是在2.9 m/s2。不考慮孔壓影響的壩底部水平向加速度峰值呈現(xiàn)中間小兩側(cè)大的分布規(guī)律,其中上游側(cè)(A1 max=2.95 m/s2)大于下游側(cè)(A1 max=2.68 m/s2);考慮孔壓影響的壩底部水平向加速度峰值分布規(guī)律與之前相似,但各處的加速度峰值均有所減小。其余地震動(dòng)變化規(guī)律類似,動(dòng)孔壓使得水平向加速度響應(yīng)普遍有所減小,最大縮小一般在上游壩腳處,最大減小1.702 m/s2(NP4)。

從圖12(b)可知,脈沖地震動(dòng)P1作用下,不考慮孔壓影響情況下,壩底部加速度明顯較覆蓋層底部輸入的大,并且加速度峰值在空間分布上變化不明顯。動(dòng)孔壓使得壩底部加速度峰值明顯的減小,但仍不小于覆蓋層底部輸入值。這說(shuō)明,總應(yīng)力法嚴(yán)重高估了脈沖型地震動(dòng)下壩體底部的動(dòng)力響應(yīng),動(dòng)孔壓對(duì)壩底部的加速度響應(yīng)有明顯的影響。

3.3 軟弱土層液化對(duì)系統(tǒng)永久變形影響分析

將各條地震動(dòng)作用下,壩頂處豎向殘余變形隨時(shí)間發(fā)展規(guī)律,如圖13所示。從圖13可知,考慮動(dòng)孔隙水壓力前、后,豎向沉降發(fā)展規(guī)律類似,動(dòng)孔壓使得壩體沉降量增大主要是因?yàn)樨Q向殘余變形發(fā)展期,夾層土體有效應(yīng)力下降變“軟”,吸收了大量的地震動(dòng)能量,但在發(fā)展末期,土體“液化 ”喪失承載能力,壩體沉降量發(fā)展迅速,且最終沉降量增大。

圖13 各類型地震動(dòng)下,豎向永久變形隨時(shí)間發(fā)展趨勢(shì)圖Fig.13 Trend of vertical permanent deformation under various types of ground motions

綜合對(duì)比脈沖型與非脈沖型地震動(dòng)下豎向永久變形發(fā)展規(guī)律差異,主要體現(xiàn)在:脈沖型地震動(dòng)作用下的豎向沉降發(fā)展迅速,一般在7 s前就趨于穩(wěn)定,而非脈沖地震動(dòng)下的壩體最大豎向沉降發(fā)展較為緩慢,部分非脈沖的發(fā)展趨勢(shì)在12 s時(shí)仍未停止

將考慮動(dòng)孔壓影響前、后,各類型地震動(dòng)作用下的壩頂最終豎向永久變形,匯總于表5。從表5可知,考慮土體孔隙水壓力影響的豎向沉降比不考慮的要大,脈沖型的豎向沉降一般大于非脈沖型地震動(dòng)的。對(duì)于非脈沖型地震動(dòng),最終沉降量較小,一般小于0.75 m,動(dòng)孔壓使得壩頂沉降量平均增大13%,最大增大26%(增加9 cm,地震動(dòng):NP3);對(duì)于脈沖型地震動(dòng),最終沉降量較大,一般不小于1.1 m,動(dòng)孔壓使得沉降量平均增大16%,最大增大可達(dá)35%(增加25 cm,地震動(dòng):P7)。這說(shuō)明,動(dòng)孔壓對(duì)沉降量的影響程度,脈沖型地震動(dòng)大于非脈沖型地震動(dòng)。

表5 各地震動(dòng)作用下最終時(shí)刻豎向永久變形Tab.5 Under the action of vibration around the final time vertical settlement table

在不考慮動(dòng)孔壓的情況下,脈沖型地震動(dòng)沉降量均值比非脈沖型的大122.68%;在考慮動(dòng)孔壓的情況下,脈沖型地震動(dòng)沉降量均值比非脈沖型地震動(dòng)的大115.01%。對(duì)于脈沖型地震動(dòng)下的沉降發(fā)展速度和最終沉降量,均大于非脈沖地震動(dòng)作用下的,如此快且大的豎向沉降對(duì)于壩體的穩(wěn)定性產(chǎn)生極為不利的影響。

為研究脈沖型和非脈沖型地震動(dòng)下,壩體豎向殘余變形的發(fā)展規(guī)律,以及和相應(yīng)地震動(dòng)特性之間的聯(lián)系,將脈沖型和非脈沖型地震動(dòng)的速度曲線和豎向殘余變形發(fā)展曲線對(duì)應(yīng),如圖14所示。從圖14可知,對(duì)于脈沖型地震動(dòng),豎向沉降發(fā)展一般集中在脈沖型地震動(dòng)的脈沖期,在此期間豎向沉降有明顯的激增過程,這對(duì)壩體抗震安全穩(wěn)定性構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。而對(duì)于非脈沖型地震動(dòng),豎向沉降則經(jīng)過1～10 s較長(zhǎng)時(shí)間的累積發(fā)展才最終形成較大的不可恢復(fù)變形。

(a) 脈沖地震動(dòng)P1

4 結(jié) 論

本文基于沈珠江修正的Martin孔壓應(yīng)變模型,提出了可以同時(shí)考慮動(dòng)孔壓和永久變形的累積發(fā)展過程的改進(jìn)孔壓-變形耦合有效應(yīng)力分析方法。建立了易液化深厚覆蓋層上高瀝青混凝土心墻土石壩的有限元分析模型,開展了近斷層脈沖和非脈沖地震動(dòng)作用下,軟弱土層液化特性及對(duì)其上瀝青混凝土心墻土石壩響應(yīng)影響研究,揭示了近斷層地震動(dòng)的脈沖特性對(duì)土層液化的觸發(fā)影響機(jī)制,論證了忽略孔壓發(fā)展的總應(yīng)力法造成系統(tǒng)加速度響應(yīng)相對(duì)于考慮孔壓發(fā)展的有效應(yīng)力法的誤差,分析了脈沖特性、孔壓發(fā)展對(duì)大壩豎向永久變形的影響規(guī)律。具體結(jié)論如下:

(1) 非脈沖型和脈沖型地震動(dòng)作用下,總應(yīng)力法所得液化區(qū)和有效應(yīng)力法相比雖然位置相同,但分布面積卻遠(yuǎn)大于有效應(yīng)力法,總應(yīng)力法液化計(jì)算結(jié)果偏于保守;壩體不同特征點(diǎn)孔壓比分布差異顯著,脈沖特性使得軟弱土層多數(shù)特征點(diǎn)的孔壓在短時(shí)間急劇上升,觸發(fā)液化迅速;非脈沖地震動(dòng)作用下,特征點(diǎn)孔壓增長(zhǎng)緩慢,持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),孔壓比的緩慢增長(zhǎng)對(duì)孔隙水壓力的消散和土體的抗液化有利。

(2) 有效應(yīng)力法能夠考慮動(dòng)力過程中累積孔隙水壓力的增長(zhǎng)、有效應(yīng)力下降,土體變“軟”并吸收了地震動(dòng)能量,從而造成了系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)有所減小。非脈沖地震動(dòng)作用下,動(dòng)孔壓使得壩頂加速度放大系數(shù)相對(duì)于不考慮孔壓情況平均減小29%;脈沖地震動(dòng)作用下平均減小21%。動(dòng)孔壓使得壩底部處的加速度響應(yīng)相對(duì)于不考慮孔壓情況亦有不同程度的減小。

(3) 總應(yīng)力法下,脈沖型地震動(dòng)作用下的壩頂加速度與非脈沖型地震動(dòng)相比增大了37.44%,在壩底處增大了131.01%。有效應(yīng)力法下,脈沖型地震動(dòng)作用下的壩頂加速度與非脈沖型地震動(dòng)相比增大了54.06%,在壩底處增大了164.80%。有效應(yīng)力法下計(jì)算差異更大,說(shuō)明了考慮動(dòng)孔壓累積發(fā)展及其影響的必要性。

(4) 對(duì)于非脈沖型地震動(dòng),最終沉降量一般小于0.75 m,動(dòng)孔壓使得壩頂沉降量平均增大13%,最大增大26%;對(duì)于脈沖型地震動(dòng),最終沉降量一般不小于1.1 m,動(dòng)孔壓使得沉降量平均增大16%,最大增大可達(dá)35%。主要是由于豎向永久變形發(fā)展期,夾層土體因有效應(yīng)力下降而變“軟”,吸收了大量的地震動(dòng)能量,但在發(fā)展末期,土體“液化 ”喪失承載能力,壩體沉降量發(fā)展迅速,且最終沉降量增大。

(5) 在不考慮動(dòng)孔壓的情況下,脈沖型地震動(dòng)沉降量均值比非脈沖型的大122.68%;在考慮動(dòng)孔壓的情況下,脈沖型地震動(dòng)沉降量均值比非脈沖型地震動(dòng)的大115.01%。對(duì)于脈沖型地震動(dòng),豎向沉降發(fā)展一般集中在脈沖型地震動(dòng)的脈沖期,在此期間豎向沉降有明顯的激增過程,這對(duì)壩體抗震安全穩(wěn)定性構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。而對(duì)于非脈沖型地震動(dòng),豎向沉降則經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的累積發(fā)展才最終形成較大的不可恢復(fù)變形。

(6) 總體來(lái)看,相比于非脈沖型地震動(dòng),脈沖型地震動(dòng)下的軟弱夾層對(duì)系統(tǒng)加速度響應(yīng)削弱作用并無(wú)明顯的消弱作用,并且產(chǎn)生了集中的、大范圍的液化區(qū)域,對(duì)系統(tǒng)的抗震安全性造成極大威脅。因此,對(duì)于近斷層地震動(dòng)下,建在含有軟弱夾層的覆蓋層地基上的高土石壩的動(dòng)力響應(yīng)研究,有必要開展基于有效應(yīng)力的液化分析。