地震作用下棄土場高邊坡穩定性淺析范文

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《公路交通技術雜志》2016年第5期

摘要:

為了探討地震擾動下棄土場邊坡穩定性，以沾會高速公路Q－6棄土場高邊坡為研究對象，利用RS2(Phase2)有限元數值分析軟件并結合Newmark積分法，建立邊坡分析模型。根據地震時程曲線，將模型分為7個過程以模擬、分析不同時段邊坡應變、位移及塑性區的變化規律。分析結果表明:地震發生后的前10s對邊坡影響較大，地震水平力更易激發坡腳的破壞;坡面中上部的水平位移最大，且其加速度放大現象很明顯。

關鍵詞:

棄土場;安全系數;動載;位移;RS2(Phase2)軟件

目前，隨著計算機及數值模擬軟件的發展，數值分析已經能較為真實地模擬邊坡在地震作用過程中的動力特性和破壞機制，是邊坡地震反應分析的主流方法［1］。目前常用于邊坡地震穩定性分析的數值方法主要有有限單元法［2－3］和有限差分法［4－5］。云南省是我國地震高發地帶，據統計，近幾十年云南省共發生5．9級以上的強地震8次。沾會高速公路位于云南省曲靖市鮮水河—滇東地震帶和右江地震帶區域，其中鮮水河—滇東地震帶是強震發生帶，其地震活動不僅強度大，而且頻度高。由于沾會高速公路Q－6棄土場范圍內沒有地震時程記錄，故本文取相鄰場地田壩特大橋地震勘察合成的基巖地震動時程作為計算參數，并結合RS2(Phase2)有限元邊坡穩定性性分析方法，對Q－6棄土場高邊坡的穩定性進行分析和評價。

1動力響應時程分析

時程分析法［6］是根據材料及構件的彈性(或非彈性)性能對結構動力方程做積分求解的方法。該方法既能考慮地震的振幅、頻譜和持時3個要素的影響，又能考慮地震環境和場地條件的影響，還能對結構進行非線性分析，而且還可以計算能量損耗和損傷等，并由此獲得更多的有用信息，因此，可以說時程分析法是一個真正的動力分析方法。目前結構地震反應分析中較常用的時程分析法有線性加速度法、Wilson法和Newmark法等。本文主要采用Newmark法進行地震分析，阻尼模型選擇瑞利阻尼。Newmark解析方程如下:vi+1=vi+［(1－γ)Δt］ai+(γΔt)ai+1(1)ui+1=ui+(Δt)vi+［(1/2－β)(Δt)2］ai+［β(Δt)2］ai+1(2)式中:u為位移;v為速度;a為加速度;Δt為時間增量;β、γ均為加速度變化系數。Newmark積分中β、γ的標準取值如表1所示。

2工程實例

沾會高速公路Q－6棄土場位于云南省曲靖市田壩鄉，棄土約為71萬m3，占地約5．67hm2。據地面調查及鉆探揭露，場地內地層主要為新生界第4系全新坡洪積層(Q4dl+pl)、坡殘積層(Q4dl+el)、崩坡積層(Q4c+dl)、古生界二疊系下統棲霞+茅口組(Plq+m)及古生界寒武系(∈)。Q－6棄土場位于沾益“山”字型構造西翼與新華夏系構造復合地帶白石巖－小河水大向斜西翼，構造線近東西向展布為主，有水堰塘斷層和田壩斷層發育。該棄土場邊坡高達60m，且區域內地震活躍，故有必要對其邊坡動力響應進行評價。

2．1計算參數

由于Q－6棄土場沒有實測地震加速度數據，本文選取相鄰場地田壩特大橋實測50年超越概率39%數據為對象合成地震加速度時程曲線，如圖1所示，地震作用過程總歷時約40s。邊坡有限元網格劃分模型如圖2所示。定義模型左右兩側邊界條件為Lysmer－Kuhlemeyer，運用Lysmer－Kuhlemeyer邊界條件可以模擬無限土壤介質的邊界行為。計算過程中，巖土數值模擬參數來采用試驗數據及經驗類比值，具體參數參如表2所示。單元的阻尼矩陣采用瑞利阻尼［7－8］，瑞利阻尼模型計算公式為:［C］=a［M］+b［K］(3)式中:［C］為粘性阻尼矩陣;［M］為質量矩陣;［K］為剛度矩陣;a、b均為常數。根據公式(3)，取頻率1為4Hz，阻尼系數為0．2;取頻率2為8Hz，阻尼系數為0．2。地震荷載分為6步加載，第1～6步加載時間分別為1、3、5、10、20和40．94s。

2．2邊坡動力響應分析

進行Q－6棄土場邊坡動力時程分析時，根據地震加載方式，可對全部邊坡的每個單元應力時程、位移時程、各節點加速度時程進行研究。選取坡頂節點查詢Q－6棄土場的塑性區分布(選取有代表性的第1、4、6步加載計算結果)及水平位移分布，塑性區分布如圖3所示，水平位移分布如圖4所示。由圖3可以看出，當地震發生10s時，整個邊坡已經全部破壞;坡腳塑性區范圍最廣。可見后期地震對邊坡的影響較小，地震水平力更易激發坡腳的破壞，這主要與邊坡的坡形和結構有關。由圖4可以看出，最大水平位移出現在動力第2步(3s)邊坡中上部，最大位移達47．2cm;地震發生后的前5s，水平位移變化顯著，后期隨著地震波的衰減，對邊坡的影響逐漸降低。

3結論

棄土場高邊坡在地震荷載作用下的動力響應是工程界較為關心的問題，但由于實際施工過程中土石比及壓實度等參數控制比較困難，因此棄土場高邊坡的穩定性分析較為復雜，而運用數值模擬方法分析結果可以很好地對工程進行預判。本文應用動力響應時程分析原理，采用RS2(Phase2)有限元數值模擬方法，以沾會高速公路Q－6棄土場為研究對象，對該棄土場高邊坡在地震荷載下的擾動作用進行了研究，并得到如下結論:

1)在地震作用下，地震發生10s時，整個邊坡已經全部破壞，后期地震對邊坡的影響較小，可見地震水平力更易激發坡腳的破壞。

2)最大位移出現在動力第2步邊坡中上部，且坡面頂部加速度放大現象很明顯。

3)時程分析法能夠較為真實地反映動力響應結果及地震對邊坡的擾動作用。

參考文獻：

［1］劉紅帥，薄景山，劉德東．巖土邊坡地震穩定性分析研究評述［J］．地震工程與工程振動，2005，25(1):164－171．

［2］薄景山，徐國棟，景立平．土邊坡地震反應及其動力穩定性分析［J］．地震工程與工程振動，2001，21(2):116－120．

［3］陳玲玲，陳敏中，錢勝國．巖質陡高邊坡地震動力穩定分析［J］．長江科學院院報，2004，21(1):33－35．

［4］劉春玲，祁生文，童立強，等．利用FLAC3D分析某邊坡地震穩定性［J］．石力學與工程學報，2004，23(16):2730－2733．

［5］祁生文．邊坡動力響應分析及應用研究［D］．北京:中國科學院地質與地球物理研究所，2002．

［6］顧淦臣．土石壩地震工程［M］．南京:河海大學出版社，1987．

［7］黃宗明，白紹良．結構地震反應時程分析中的阻尼問題評述［J］．地震工程與工程振動，1996，2(16):95－105．

作者:楊俊毅 羅磊 單位:云南省公路工程監理咨詢公司 金土石科技( 北京) 有限公司