基于数值分析法锚固土质边坡的地震动响应及稳定性分析

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边坡稳定问题是水利、岩土工程建设中经常遇到的问题。锚杆支护边坡具有施工简便、安全、经济等特点,是边坡工程中一种主要支护方式,目前得到广泛应用。但是针对锚固边坡在地震作用下的动力响应和稳定性研究相对较少,因此,进行锚固土质边坡的动力响应和稳定性研究不仅具有重要的理论意义,而且具有重要的实际应用价值。本文在前人研究的基础上,以某边坡为研究对象,采用数值分析方法,对土质边坡动力响应规律进行研究,本文主要研究内容如下:  (1)基于数值分析法,利用FLAC3D有限差分软件,建立边坡在地震作用下的分析模型,分别从地震结束时刻边坡的水平和竖向位移大小、边坡上关键点的位移、速度、加速度时程变化以及边坡的塑性贯通区域变化情况,研究边坡在地震作用下的动力响应规律。计算得到,边坡最大位移发生在坡顶附近,最大水平位移达到3.8cm,竖向位移达到0.64cm;从边坡塑性贯通区域情况可以看到,坡顶部位主要受到拉伸破坏作用,边坡中部区域既受到拉伸破坏又受到剪切破坏作用,而边坡底部主要受到剪切破坏作用,并且从坡脚沿边坡向上延伸,贯通了整个边坡区域;又从坡顶、坡面、滑动区域、相对不滑动区域提取质点的位移、速度、加速度时程变化过程线,可以看到位移和速度数值不收敛且发生突变,随坡高增加,对地震加速度放大效果越明显,坡项加速度放大系数为3.5。综上说明边坡在地震作用下发生破坏。  (2)以某边坡为研究对象,采用数值分析方法,运用FLAC3D中的cable单元模拟锚杆的作用、beam单元模拟粱的作用,建立了锚固边坡的动力分析模型,分别从地震结束时刻边坡的水平和竖向位移大小、边坡的塑性贯通区域情况以及边坡上关键点的位移、速度、加速度时程变化情况,对锚固边坡的动力响应规律进行了探索研究。地震结束时刻坡顶发生较大的位移,最大水平位移达到0.478mm,竖向位移达到0.7mm;从边坡塑性贯通区域情况可以得到,坡顶部位主要受到拉伸破坏作用,边坡中部受到拉剪破坏作用,边坡底部主要受到剪切破坏作用,尚未贯通整个边坡区域,且沿y轴方向模型中部所受破坏较大,而模型边界部位所受破坏相对较小,甚至不破坏;从坡顶、坡面、滑动区域、相对不滑动区域提取质点的位移、速度、加速度时程变化过程线,可以看到位移和速度数值收敛,边坡在锚杆支护作用下对地震加速度放大效果明显减弱,坡项加速度放大系数为1.5。从地震荷载作用过程中锚杆轴向力和轴向应力的时程变化规律可得,坡脚处锚杆轴力最大,说明边坡工程中需要对坡脚位置加大支护。综上说明边坡是稳定的,框架锚杆支护边坡具有较好的抗震效果。  (3)基于有限差分法和强度折减法的基本原理,对边坡模型材料参数进行手动折减,从边坡失稳三大判据分析边坡稳定性,求解边坡的安全系数。从塑性贯通区域可以看到折减系数k>111时,边坡塑性区域完全贯通;从关键点的位移、速度时程变化过程线可以看到,折减系数k>115时,位移和速度数值不收敛且发生突变。综上,取折减系数的最小值,可得边坡在折减系数k>1.11时,发生破坏,即边坡的安全系数为1.11。  本文的研究对于认识边坡在地震作用下的动力响应规律、破坏机理及锚杆支护边坡的抗震设计具有重要意义,其结果可为边坡的抗震设计及稳定性分析提供参考。
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