软弱夹层位置变化对地震荷载作用下的动力响应数值研究

2019-09-05丁磊

水利科技与经济 2019年8期

丁磊

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，乌鲁木齐 830000)

1 概述

边坡的稳定是非常复杂的问题，一直是研究的热点，含有软弱夹层的边坡稳定问题尤其值得关注。在地震荷载的影响下，边坡容易受到破坏，加强对其稳定性研究有助于减少地震灾害的影响。

边坡稳定性研究始于上世纪30年代，当时主要集中于土质边坡[1]。由于岩性边坡更加稳定，之后又对岩性边坡开展了一些研究[2-3]。在实际中，边坡的材质往往是多种多样的，含有软弱夹层的边坡非常普遍，而软弱夹层是边坡稳定的关键因素[4]。费先科[5]在前人研究的基础上进行总结分析，进而提出适用于含有软弱夹层边的坡稳定性计算方法。孙广忠[6]、杨令强[7]、苟水泉[8]等采用不同试验对含有软弱夹层的边坡进行相关研究。刘立平[9]、许宝田[10]等在试验的基础上将数值模拟应用于含有软弱夹层的边坡稳定相关研究中，并取得了一定的成果。

本文在前人研究的基础上，以有限元软件FLAC3D为基础，对不同地震荷载作用下软弱夹层布置位置对边坡稳定性的影响展开研究，为边坡的稳定性研究提供理论依据。

2 模型建立

本文以大型有限元软件FLAC3D为基础，对在不同地震荷载作用下边坡内含有的软弱夹层位置变化动力响应问题进行数值分析。本文中选取的模型边坡基础高度20 m，坡高20 m，边坡角度45°，坡顶宽度50 m，坡顶距离基础底部距离40 m，边坡宽度100 m，边坡长度1 m。根据实际研究需要不同，将边坡内软弱夹层以垂向5 m为基础逐渐向上移动，分别设置在坡脚、四分之一坡高、二分之一坡高、四分之三坡高、坡顶位置处，见图1。坡面和坡内测点布置见图2。

图1 软弱夹层布置位置图

图2 测点布置位置图

针对以上几种布置方案进行边界条件的设置。材料方面硬质边坡选择软岩、软质夹层选择黏土，对应的材料参数见表1。本构模型选择Mohr-Coulomb弹塑性本构模型。边坡底部采用全固定边界，边坡两侧采用水平位移约束，垂向不进行特殊设置使边坡受重力荷载作用变化，局部阻尼系数为0.16。采用结构化网格进行划分，网格总数653 210个。

表1 模型材料

对于地震荷载采用单个简谐脉冲，有单向脉冲地震波、双向脉冲地震波、无脉冲地震波3种波形，施加方式采用应力、集中力时程，具体波形见图3。

图3 地震脉冲波形图

3 结果分析

3.1 坡面加速度分析

在3种地震荷载作用下，软弱夹层布置在不同位置的坡面加速度变化曲线见图4。

图4 坡面加速度放大系数沿高程变化曲线

根据图4可知，坡面加速度放大系数随着高程的增加先平稳定变化，然后急剧增加，出现明显的跳跃，最后平稳增加。从坡脚到四分之三坡高位置处，软弱夹层布置位置逐渐上升，加速度放大系数平稳段范围逐渐增大，说明软弱夹层下面相对较稳定。在较低位置处双脉冲、单脉冲和无脉冲地震荷载作用下的加速度放大系数逐渐减小。随着高程的增加，单脉冲地震荷载作用下的加速度放大系数逐渐大于双脉冲地震荷载作用下的加速度放大系数。最终在坡顶位置处不同脉冲地震荷载作用下的加速度放大系数基本一致，放大系数随着高程变化呈现类似线性变化。

3.2 坡内加速度分析

在3种地震荷载作用下，软弱夹层布置在不同位置的坡内加速度变化曲线见图5。

由图5可知，坡内加速度放大系数沿高程变化曲线与坡面变化趋势基本一致。在坡脚位置处，两者分布趋势基本一致，但是在四分之一位置处单脉冲地震荷载作用下的加速度放大系数已经开始大于双脉冲地震荷载作用下的加速度放大系数。软弱夹层在边坡中间位置处时，坡脚处3种地震荷载作用下的加速度放大系数开始出现不同，双脉冲、单脉冲和无脉冲荷载作用下的加速度放大系数逐渐减小。在坡顶位置处，单脉冲地震荷载作用下的加速度放大系数最小，对比分析发现，坡内和坡面的加速度放大系数基本分布一致，当软弱夹层在较高位置时，坡脚加速度放大系数出现明显不同。

图5 坡内加速度放大系数沿高程变化曲线

3.3 夹层位置变化影响

在单脉冲、双脉冲和无脉冲地震荷载作用下，不同软弱夹层位置的加速度放大系数随坡高变化曲线分别见图6、图7、图8。

图6 单脉冲地震荷载作用下加速度放大系数

由图6、图7、图8可知，加速度放大系数随着软弱夹层布置位置的升高逐渐减小，但是在变化过程中有所区别。由图6可知，在单脉冲地震荷载作用下，坡面和坡内的加速度放大系数变化趋势有所区别，软弱夹层布置在四分之一坡高位置时，夹层以下加速度放大系数较小，软弱夹层以上加速度放大系数较大。由图7可知，坡面和坡内加速度放大系数基本一致。在图8中，软弱夹层布置在边坡中间位置时坡内和坡面加速度放大系数有所区别。