地震激励下某土岩二元结构边坡锚索轴力响应探析_卢伟平.pdf

2023 年第 02 期总第 296 期福建建筑Fujian Architecture ConstructionNo 022023Vol296地震激励下某土岩二元结构边坡锚索轴力响应探析卢伟平(福州市城建工程检测有限公司福建福州350001)摘要:以某预应力锚索 框架支护土岩二元结构边坡为依托，借助 FLAC3D5 0 软件进行地震作用数值模拟，对不同工况的锚索轴力响应进行分析。结果表明，边坡在地震作用下的稳定性与锚索轴力变化过程正相关;地震波强度较小时，由于边坡的自稳作用，在地震惯性力作用下，锚索不但无法发挥抑制作用，反而会出现预应力损失;地震波强度较大时，边坡滑裂趋势位置处的锚索瞬间响应，轴力迅速增大，从而抑制边坡滑移破坏;岩石与土体材料的刚度和阻尼在土体与岩石相交面位置处发生突变，可以判定交界处相对较薄弱或可能为剪出口。关键词:边坡工程;锚框支护;地震动力响应;数值模拟;轴力响应中图分类号:TU47文献标识码:A文章编号:1004 6135(2023)02 0057 06Analysis of anchor cable axial force response of a soil rock dual structure slopeunder earthquake excitationLU Weiping(Fuzhou City Construction Engineering Testing Co，Ltd，Fuzhou 350001)Abstract:Based on a prestressed anchor cable frame supported soil rock dual structure slope，numerical simulation of seismic action iscarried out with the help of FLAC3D5 0 software，and axial force response of anchor cable under different working conditions is analyzedThe results show that the stability of slope under earthquake is positively correlated with the change process of anchor cable axial forceWhen the seismic wave intensity is small，due to the self stability of the slope，the anchor cable can not play a restraining role under theaction of seismic inertia force，but will appear the loss of prestress.When the seismic wave intensity is large，the anchor cable at the slopesliding trend responds instantly，and the axial force increases rapidly，which inhibits the slope sliding failure.The stiffness and damping ofrock and soil material change at the intersection of soil and rock，which can be judged to be relatively weak or shear outlet.Keywords:Slope engineering;Anchor frame support;Seismic response;Numerical simulation;Axial force response作者简介:卢伟平(1989)，男，高级工程师。E-mail:469222453 qq com收稿日期:2022 06 140引言地震导致滑坡，是一种较为常见的自然地质灾害。尤其是高边坡，经常造成严重的生命财产和经济损失。根据有关历史数据记载，滑坡灾害往往与地震灾害同时出现，地震作用导致边坡滑坡引起的次生灾害已然成为了典型灾害。显然，对地震时的边坡稳定性和其支护措施的动力响应，就显得意义重大。近年来，关于地震激励下的边坡稳定性和动力响应规律，国内外学者已经开展了相关研究，并取得了一些成果。宋丹青等1 通过 FLAC3D 有限差分软件，分析研究了地震激励下，层状边坡的动力响应特征和变形机理;郑颖人、叶海林等2 7 采用振动台试验和有限差分软件数值模拟等方式，对锚索(杆)支护措施下的纯岩质边坡在地震时的动力响应以及支护结构的锚索(杆)参数进行了研究和分析探讨，并对地震时锚索(杆)的破坏激励进行了分析探讨。但是，目前上述研究的边坡均为均质边坡，即土层为均质土层，如纯岩质或者土质，物理性质较为单一。对于岩 土质二元结构边坡，特别是锚索(杆)框架(梁)等柔性支护措施进行加固的进行地震时的动力响应研究和探讨分析则相对少见，与之有关的论文更是寥寥无几8。当边坡支护形式为锚索(杆)框架(梁)时，可将锚索(杆)的轴力响应作为边坡是否失稳的重要判定依据。因而，对锚索(杆)的轴力响应进行研究和探讨分析，且意义重大。本文章依托福建省海西某山岭高速公路某一标段内的预应力锚索(杆)框架58福建建筑2023 年(梁)支护体系下的土 岩二元结构边坡为研究背景，运用有限元理论，使用 FLAC3D 有限元差分软件建立数值分析模型，运用滑动平均法，分析和研究锚索(杆)框架支护土岩二元结构边坡在地震激励下的杆轴力响应，以期能够为边坡工程的抗震支护设计提供借鉴。1工程概况1.1项目简介该项目位于福建省某高速公路 A10 标段。该边坡为一级边坡，最大高度为 35.2 m，长度为 255 m，采用锚索 框架梁支护体系。1.2工程地质条件福建素有“八山一水一分田”一说，境内多为丘陵。该边坡项目即位于此剥蚀性丘陵地貌中，山坡上植被较为茂盛。该边坡自然坡角约 25 35，且地形起伏较大。边坡地表自上而下分别为残坡积土(Qel dl)和下三叠统溪口组粉砂岩(T1x)，产状分别为21049、34562。各岩土层主要物理力学指标如表 1 所示。表 1岩土层主要物理力学参数地质时代Qd1T1x岩土名称坡积粉质黏土 全风化石英砂岩碎块状强风化石英砂岩湿密度/g/cm31.822.582.71体积模量/MPa550100内摩擦角/31.515252内聚力/kPa17.72185018501.3水文条件本工程所在区域的地下水，主要是大气的降水补给，是赋存于第四系残积层和基岩风化带中的裂隙水，一年四季的地下水变化很大。取边坡附近处的地下水进行试验，结果表明，边坡所在地地下水对本项目砼无腐蚀作用。1.4边坡支护方案该边坡支护方案为锚索+框架梁+植草。边坡第 1 2 级坡率为 1 1.0 1 0.75，为全风化岩 碎块状强风化岩，采用锚索结合护面墙的组合支护形式;边坡第 3 4 级坡率为 1 1.0，为残积粘性土，采用预应力锚索和框架梁组合的支护形式。本文选取该边坡最典型的断面进行分析，该断面处的第二级处锚索轴力为 300 kN，长度为 14 m 和 16 m;第三、四级处锚索轴力为 550 kN，锚索长度 20 m 24 m。边坡断面设计如图 1 所示。图 1边坡典型断面支护设计图1.5地震工况本工程所属地区的地质情况相对较为稳定。区域地震设防烈度为 7 度，中硬土场地的动反应谱特征周期为 0.35 s，50 年超越概率 10%条件下的地震加速度峰值为 0.1g。2数值参数根据地勘结果，本边坡是上土下岩的二元结构边坡。分析该边坡，建模时假设边坡的岩质和土质材料皆为均质的弹塑性材料，因此适用摩尔 库伦强度准则进 行 研 究 和 分 析。依 托 有 限 元 分 析 软 件FLAC3D5.0 建立数值模拟模型。建立数值模型时，岩土体材料选用六面体单元进行模拟，锚索(杆)选用锚单元进行模拟，框架(梁)选用梁单元进行模拟，模拟边界则选用四周自由场边界和底部静态边界的组合形式，并且施加瑞利阻尼，其中，临界阻尼比设定为 0.05。2.1数值模型构建通过理论计算和经验值法，获得锚索(杆)和框架(梁)的力学参数，其值分别如表 2 及表 3 所示。表 2锚单元物理性能参数名称物性参数锚索杨氏模量/GPa200剪切连接弹簧黏聚强度/MPa2剪切连接弹簧摩擦角/25剪切连接弹簧刚度/N/m.m12e7注浆孔周长/m0.471锚索拉伸强度/kN1000表 3梁单元物理性能参数名称物性参数杨氏模量/GPa30泊松比0.2横截面积/m20.225极惯性矩/m45e 3绕 Y 轴惯性矩/m44.6e 3绕 Z 轴惯性矩/m43.7e 32023 年 02 期 总第 296 期卢伟平地震激励下某土岩二元结构边坡锚索轴力响应探析59为使数值模拟过程尽可能与边坡实际施工过程相似，本文在数值模拟时，运用分步开挖的方式控制。数值模型如图 2 所示。图 2边坡数值模型图2.2监测点布置为充分分析锚索(杆)的地震轴力响应，数值模型建立时，在锚单元的自由段及锚固段布置对应的轴力监测点位。监测点位自上而下，自左至右布置和编号。点位编号依上述方法，排序为 1 18(本边坡模型为对称结构，仅在一侧的 3 根锚索(杆)上布设点位)。从锚索(杆)自由段到锚固段方向，将锚索(杆)上的点位依次编号为 1、2、3，即 C3 1 表示 3 号锚索上的 1 号监测点位。监测点位布置如图 3 所示。图 3锚索轴力监测点布置图2.3地震波的输入为分析模型边坡在地震激励下的动力响应，以及地震波参数以及高程等的影响，本文主要将地震波的幅值、频率特征以及持时作为选择地震波的参考依据。综合考虑福建省地震地质特点和场地地形、地貌、岩性及地质构造等多种因素，为尽可能全面真实地反映地震动作用下边坡的动力反应，比较幅值和地震波特征频率因素影响的研究，本文共选用 4 条典型地震波作为输入波，分别为 E1 Centro 波、Kobe 波、人工波 2 和人工波 3，加载工况如表 4 所示。表 4地震波加载工况编号输入波类型工况代号X 向峰值加速度(g)烈度(度)1ELEL 10.0562KobeKobe 10.0563人工波 2g2 10.0564人工波 3g3 10.0565ELEL 20.176KobeKobe 20.177人工波 2g2 20.178人工波 3g3 20.179ELEL 30.2810KobeKobe 30.2811人工波 2g2 30.2812人工波 3g3 30.2813ELEL 40.4914KobeKobe 40.4915人工波 2g2 40.4916人工波 3g3 40.493滑动平均法分解锚索轴力本文利用滑动平均法和 MATLAB 软件，对数值模型监测的锚索轴力时程曲线进行分解，将时程曲线中包含的“震荡”和“基线”两部分分别分解出来。“基线”部分表征了地震作用下锚索轴力的变化趋势，可用作判定地震激励前后锚索轴力整体变化的依据;“震荡”部分的数值随时间改变，在零值上下不断变化，表征了地震激励下锚索轴力的动态响应9。滑动平均法，是为了更精确地表示结果，抑制随机误差的影响，对动态测试数据做平滑和滤波处理。具体地说，就是对非平稳的数据，在适当的小区间上视为接近平稳的，而做某种局部平均，以减小随机误差而造成的随机起伏。滑动平均法无须事先设定函数的趋势项，也无须求解趋势项的表达式，该方法较为简单，因此常用于工程实际中。滑动平均法基本计算公式如式(1)10:Yi=hnXi n(i=1，2，3，m)(1)式中:X 采样数据;Y 处理后数据;M 数据点高数;h 加权平均因子，必须满足和等于 1;2N+1 平均点数。在简单滑动平均法中，加权平均因子求解公