地震動力作用對土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值模擬分析研究

王 旭

(黑龍江省慶達(dá)水利水電工程有限公司，哈爾濱 150080)

1 緒 論

在影響土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性因素中，地震荷載是產(chǎn)生地震滑坡等現(xiàn)象的主要因素，通常地震荷載帶來邊坡的地震慣性力，降低整體邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，下滑力加大導(dǎo)致出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)。地震動力響應(yīng)分析主要研究地震動荷載引起邊坡的位移、應(yīng)力、速度、加速度等量值的變化[1]。FLAC3D有限元分析軟件基于強(qiáng)度折減法原理，研究邊坡破壞的機(jī)理機(jī)制，可深入掌握動荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性和失穩(wěn)原理，進(jìn)而有效提升加固措施保證邊坡安全。

2 動力有限元分析原理

FLAC3D模擬三維巖土體在不同載荷作用下的非線性響應(yīng)，步驟主要包括如下：①計算自重荷載下的初始應(yīng)力；②選取動力分析模塊，進(jìn)行動力分析計算[2]。

動力荷載輸入方式：加速度時程，速度時程，應(yīng)力時程和集中力時程。動力荷載主要表現(xiàn)形式：①FISH函數(shù)。②TABLE命令定義的表。影響波傳播的數(shù)值精度主要有巖土體的波速特性和輸入波的頻率成分。

邊界條件定義，彈性波在巖土體邊界處會產(chǎn)生反射，造成計算結(jié)果出現(xiàn)較大誤差，本程序擬采用靜態(tài)邊界和自由場邊界結(jié)合的方式來解決。

3 工程實例

3.1 模型建立

某邊坡模型高10m，坡率1∶0.5， 坡腳63°，地質(zhì)構(gòu)造是水平層狀結(jié)構(gòu)，分為兩層，上層Q4黃土，高度地面下4m，下層Q3黃土，均勻土體厚度10m。邊坡設(shè)為彈塑性材料，土體模型采用實體(zone)單元模擬[3]。邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，原始邊坡網(wǎng)格劃分如圖1所示。

表1 邊坡物理力學(xué)參數(shù)

圖1 邊坡有限元網(wǎng)格剖分圖

邊界條件：上部為自由邊界，不受約束；左右兩側(cè)水平約束；下部固定，法向約束，阻尼比0.142[4]。

3.2 地震波輸入

該區(qū)基本設(shè)防烈度6度，文章選取地震波加速度為0.05g，波持續(xù)時間21.40s[5]。地震波加速度如圖2所示。

圖2 地震波加速度

3.3 計算結(jié)果

關(guān)鍵點布置情況如圖3所示。通過數(shù)值計算，提取坡頂關(guān)鍵點a、斜坡面上關(guān)鍵點b、滑動區(qū)域內(nèi)關(guān)鍵點c和d、相對不滑動區(qū)域關(guān)鍵點e和f的位移、速度、加速度時程曲線，關(guān)鍵點的水平、豎向位移如圖4-圖6所示。

圖3 關(guān)鍵點布置圖

圖4 關(guān)鍵點水平位移時程曲線

圖5 滑動區(qū)關(guān)鍵點水平位移時程曲線

圖6 非滑動區(qū)關(guān)鍵點水平位移時程曲線

由上圖可以看出，地震荷載施加后關(guān)鍵點的水平、豎向位移最終趨于水平，數(shù)值收斂，沒有發(fā)生突變，表明邊坡保持穩(wěn)定，該邊坡在地震烈度小于設(shè)計烈度時，具有良好的抗震效果。

關(guān)鍵點的速度時程如圖7-圖9所示。

圖7 坡頂和坡面上關(guān)鍵點速度時程圖

圖8 滑動區(qū)關(guān)鍵點速度時程圖

圖9 相對不滑動區(qū)關(guān)鍵點速度時程圖

由圖可以看出質(zhì)點速度大小為：坡頂>坡面>滑動區(qū)>相對不滑動區(qū)。在地震荷載施加后關(guān)鍵點的速度呈上下波動現(xiàn)象，隨著荷載作用結(jié)束關(guān)鍵點速度最終為零，速度數(shù)值收斂，未發(fā)生突變，表明邊坡保持穩(wěn)定，該邊坡在地震烈度小于設(shè)計烈度時，有良好的抗震效果。

關(guān)鍵點的水平、豎向加速度時程如圖10-圖11所示：

圖10 關(guān)鍵點水平加速度時程圖

圖11 滑動區(qū)關(guān)鍵點水平加速度時程圖

由圖可知，隨著地震荷載作用，坡頂、斜坡面上、滑動區(qū)域、相對不滑動區(qū)內(nèi)關(guān)鍵點加速度時程變化均上下振動，最終趨于零。坡頂、斜坡面上和滑動區(qū)域內(nèi)關(guān)鍵點的加速度明顯大于相對不滑動區(qū)域，隨著邊坡不斷增高，關(guān)鍵點加速度峰值越大，地震加速度作用愈顯著，水平方向加速度的放大效果明顯大于豎直方向。

4 結(jié) 論

文章基于有限元動力分析原理，建立地震作用下的邊坡分析模型，計算分析地震結(jié)束時刻邊坡的水平和豎向位移、邊坡上關(guān)鍵點的位移、速度、加速度時程變化，研究設(shè)計地震力作用下邊坡的動力響應(yīng)問題。結(jié)果表明地震結(jié)束時坡頂和土層分界處發(fā)生較大的位移，有小部分的滑動但未貫通整個邊坡，說明邊坡是安全穩(wěn)定的。