鄒 玉

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300350)

0 引 言

伴隨著我國“一帶一路”的發(fā)展和青藏鐵路的建設(shè)，大型交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)越來越多.基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)沿線途中會(huì)經(jīng)過較多地質(zhì)地貌，面臨眾多地質(zhì)災(zāi)害[1].其中滑坡對于工程建設(shè)中的影響不可忽視，已經(jīng)引起了國內(nèi)相關(guān)學(xué)者的研究與討論[2].為了進(jìn)一步了解在地震作用下斜坡的動(dòng)力響應(yīng)特性和失穩(wěn)破壞機(jī)理，為斜坡的地震穩(wěn)定性分析提供可靠依據(jù)，通過數(shù)值模擬對振動(dòng)臺(tái)斜坡試驗(yàn)進(jìn)行前期分析.首先對不同地震動(dòng)幅值作用下的斜坡動(dòng)力響應(yīng)特征和變化規(guī)律進(jìn)行研究，斜坡的動(dòng)力響應(yīng)主要包括位移、速度和加速度，其中斜坡的加速度響應(yīng)及其分布規(guī)律是研究斜坡在地震作用下動(dòng)力響應(yīng)的主要研究內(nèi)容[3].

本文選取某典型滑坡，通過Midas GTX建立概化斜坡振動(dòng)臺(tái)模型，對斜坡進(jìn)行多種工況數(shù)值模擬，研究斜坡模型在不同幅值作用下的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律[4]，以此對未來在該地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)提供一些參考和依據(jù)，對工程的安全性有更好的保障.

1 工程背景及巖性

1.1 工程背景

滑坡高差約為700m，滑坡后緣高程約為3300m，前緣坡趾高程約為2600m.巖層傾向坡內(nèi)，傾角在55°～70°，傾向N30°E.滑坡后緣最高點(diǎn)至左岸沖擊區(qū)最高點(diǎn)總長度約為180m，左右邊界最大寬度約為730m，斜坡剖面圖如圖1所示[5].

圖1 斜坡剖面圖

1.2 滑坡巖性

滑坡為反傾斜坡的傾倒破壞，滑坡區(qū)主要出露石英砂巖和片巖，巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育.坡內(nèi)巖性的主要為石英砂巖，成層性較好，表面風(fēng)化強(qiáng)烈.堆積體主要成分為石英砂巖夾少量片巖，滑坡區(qū)域內(nèi)巖性變化不大[6].

2 數(shù)值模擬計(jì)算模型

2.1 建立計(jì)算模型

通過振動(dòng)臺(tái)模型箱尺寸、斜坡剖面圖及相關(guān)條件，確定了振動(dòng)臺(tái)斜坡模型的尺寸相似比CL=1000，密度相似比Cρ=1，重力加速度相似比Cg=1.根據(jù)鄭穎人等[7]模型建立原則和相似理論，建立了坡高為0.95m，坡長為4.5m，坡寬為1.5m的斜坡振動(dòng)臺(tái)模型.通過相似比確定的數(shù)值模擬中斜坡的物理力學(xué)參數(shù)如表1.

表1 基本力學(xué)參數(shù)表

2.2 邊界條件及監(jiān)測點(diǎn)

在數(shù)值模擬中，對半無限模型斜坡進(jìn)行動(dòng)力輸入時(shí)，需進(jìn)一步考慮邊界條件.為減小反射波對輸入波的影響，減小能量發(fā)散問題，在模型斜坡四周中設(shè)置為二維自由場邊界，模型底部及自由場下部設(shè)置為固定邊界，邊界底部設(shè)置B1、B2兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn).材料本構(gòu)模型采用理想彈塑性模型中的Mohr-Coulomb模型.沿坡面從低到高設(shè)置A1、A2、A3、A4和A5，沿坡內(nèi)垂直方向設(shè)置A6、A7、A8和A9，斜坡上共設(shè)置9處監(jiān)測點(diǎn).斜坡動(dòng)力分析數(shù)值模型監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)及邊界條件示意圖，如圖2所示.

圖2 監(jiān)測點(diǎn)位置示意圖 圖3 輸入地震波與輸出點(diǎn)a、b的加速度時(shí)程曲線

2.3 檢驗(yàn)邊界條件

合理的邊界條件是數(shù)值模擬準(zhǔn)確的前提.為檢驗(yàn)邊界條件的設(shè)置是否正確，通過在邊界底部設(shè)置多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，將監(jiān)測點(diǎn)B1、B2記錄的地震波時(shí)程曲線與輸入的典型汶川波(051BXZ，31.0°N 103.4°E，基巖)進(jìn)行對比分析.結(jié)果如圖3所示，記錄與輸入時(shí)程曲線吻合程度較高[7]，證明了輸入地震動(dòng)和施加的邊界條件的正確性、合理性.

2.4 工況設(shè)計(jì)

為研究在不同動(dòng)力輸入?yún)?shù)下斜坡的動(dòng)力響應(yīng)特性，數(shù)值模擬中輸入的地震波為正弦波，地震波輸入方向?yàn)閄向(水平方向)，輸入不同幅值為0.1g、0.2g、0.3g和0.4g，頻率分別為10hz、15hz、20hz和25hz，持時(shí)均為10s，如表2所示.

表2 各工況地震動(dòng)參數(shù)

3 不同幅值下斜坡的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律

本節(jié)主要考慮在不同幅值下，斜坡的動(dòng)力響應(yīng)特性，在數(shù)值模擬中通過改變單一變量—幅值，對模型斜坡施加動(dòng)力作用，從斜坡的位移、速度和加速度的情況展開對比分析[8].

3.1 位移響應(yīng)

斜坡在不同幅值的正弦波作用下，斜坡上各監(jiān)測點(diǎn)的最大位移值也不同，如表3所示.從坡表監(jiān)測點(diǎn)來看，坡腳A1處的位移值最小，隨著高程的增加，位移值逐漸變大，位于坡頂A5處的位移值最大；對比坡內(nèi)和坡表監(jiān)測點(diǎn)位移值，可以發(fā)現(xiàn)位于坡表的監(jiān)測點(diǎn)發(fā)生的位移略大于坡內(nèi)；在同一頻率下，隨著幅值的增大，位移也相應(yīng)增長，即幅值與斜坡位移值為正相關(guān)；隨著頻率的增大，位移出現(xiàn)先增大后減小的趨勢.

表3 不同幅值下位移

3.2 速度響應(yīng)

斜坡在不同幅值的正弦波作用下，斜坡上各監(jiān)測點(diǎn)的速度值也不同，如表4所示.從坡表監(jiān)測點(diǎn)來看，坡腳A1處的速度值最小，隨著高程的增加，速度值逐漸變大，位于坡頂A5處的位移值最大；對比坡內(nèi)和坡表監(jiān)測點(diǎn)位移值，可以發(fā)現(xiàn)位于坡表的監(jiān)測點(diǎn)發(fā)生的位移略高于坡內(nèi)；在同一頻率下，隨著幅值的增大，速度也相應(yīng)增長，即幅值與斜坡速度值為正相關(guān)；在同一幅值下，隨著頻率的增大，位移出現(xiàn)減小的趨勢.

表4 不同幅值下速度

3.3 加速度響應(yīng)

斜坡在不同幅值的正弦波作用下，斜坡上各監(jiān)測點(diǎn)的最大加速度值也不同，如表5所示.從坡表監(jiān)測點(diǎn)來看，坡腳A1處的加速度值最小，隨著高程的增加，加速度值逐漸變大，位于坡頂A5處的加位移值最大；在同一頻率下，隨著幅值的增大，加速度也相應(yīng)增長，即幅值與斜坡速度值為正相關(guān).在相對高程為1/2處，加速度變化趨勢發(fā)生變化；在不同頻率下，加速度最大值沿高程增加的程度是不一樣的，并非是保持某一速率穩(wěn)定增大.頻率低時(shí)，斜坡的加速度響應(yīng)越大，即當(dāng)輸入波頻率與斜坡的自振頻率接近時(shí)，放大效應(yīng)越明顯；反之放大效應(yīng)越弱.

表5 不同幅值下加速度最大值圖

4 結(jié) 語

本節(jié)主要是研究基于相似理論構(gòu)建了斜坡振動(dòng)臺(tái)數(shù)值模擬計(jì)算模型，研究在不同幅值輸入下對斜坡動(dòng)力響應(yīng)的影響，并得出以下結(jié)論：

(1)在模型斜坡四周中設(shè)置為二維自由場邊界，模型底部及自由場下部設(shè)置為固定邊界，通過檢驗(yàn)輸入地震波的時(shí)程曲線和邊界監(jiān)測點(diǎn)的時(shí)程曲線，輸入和輸出加速度時(shí)程曲線較吻合，即在底部施加的邊界條件是合理的.

(2)斜坡在不同幅值的正弦波作用下，斜坡上各監(jiān)測點(diǎn)的最大位移值、速度值也不同.從坡表監(jiān)測點(diǎn)來看，坡腳A1處的值最小，坡頂A5處的值最大，隨著高程的增加，位移、速度值逐漸變大；坡表發(fā)生的位移略大于坡內(nèi).

(3)斜坡在不同幅值的正弦波作用下，斜坡上各監(jiān)測點(diǎn)的最大加速度值也不同.隨著高程的增加，加速度值逐漸變大，位于坡頂A5處的加位移值最大，具有明顯的高程效應(yīng)和坡表效應(yīng).在同一頻率下，隨著幅值的增大，加速度也相應(yīng)增長.在相對高程為1/2處，加速度變化趨勢發(fā)生變化.