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user: 3. 高填方边坡地震动响应特征分析 3.1. 工程概况 甘孜机场跑道长4000 m，宽45 m，两侧土面区宽约91 m，西北端标高4062.7 m，东南端标高4055.4 m，挖填土石方总量约5850万方，最大挖方高度约60 m，最大填方高度约109 m (九寨黄龙机场最大填方高度为104 m，建成后填方高度在民航界中属世界第一)，属于典型的高高原巨高填方机场，见图1。机场抗震设防烈度8度，基本地震加速度0.2 g。 图1. 建设阶段的甘孜机场工程特征 1) 区域地质情况 图2. 甘孜机场区域地质构造纲要图 在建甘孜机场位于四川省西部，大地构造单元上地处松潘–甘孜造山带，地处鲜水河断裂中段的西侧，甘孜–理塘断裂带北侧，其主体构造呈NW向。甘孜–玉树断裂对场区的影响较大，存在发生7级以上地震的可能 [ 13 ]。研究区主要受NW向多条断裂共同控制，地质构造作用十分强烈，场区构造，如图2。 2) 工程区地形地貌 机场场址位于近东西向山梁之上，地势中间高，两侧低。山体呈波状起伏，顶面高程3966~4142 m，平均高程4090 m左右；沟谷切割强度小，呈宽缓的“U”型槽谷，流向多为NNE和SSW向。工程区属于构造–剥蚀地貌，微地貌分区又可以分为：丘状岭脊区，坳沟区，丘状台地区，丘状沟槽区，斜坡区和沼泽相平原区 [ 14 ]，如图3。 图3. 工程区地形地貌特征 3) 工程区岩土特性 研究区地层岩性比较复杂，第四系主要有植物土(Q 4 pd )、泥炭(Q 4 h )、残坡积粉质粘土(Q 4 el+dl )、坡洪积粉质粘土(Q 4 dl+pl )及碎石(Q 4 dl+pl )，基岩主要有灰岩(Tt 2 )、变质砂岩(PTk r )、角砾岩(PTk r )。 3.2. 边坡动力响应时程分析 1) 计算模型的建立 选取机场东端沃日柯地区N.01高填方边坡进行研究，该边坡坡高约140 m，垂直填方高度约102 m，边坡剖面在原地面及填筑完成后展布特征如图4、图5，边坡计算模型岩土分层特征如图6所示。 图4. 研究区填方前总体展布特征 图5. 研究区填方后总体展布特征 图6. 计算模型岩土分层特征 模型计算参数依据机场详细勘察、高填方专项勘察原位试验及室内试验成果、试验段现场检测成果，并结合工程经验综合取值获得，各岩土层物理力学参数，如表1。 Table 1 Physical and mechanical parameters of calculation mode 岩土类别 C/ kpa Φ/ ˚ r/ (kN/m 3 ) υ 填筑体 20 32.0 22.0 0.26 粉质粘土 28 10.0 19.2 0.35 全风化变质砂岩 25 15.0 20.0 0.28 强风化变质砂岩 30 22.0 21.0 0.25 中风化变质砂岩 500 40.0 26.1 0.22 中风化灰岩 1000 45.0 27.3 0.21 表1. 计算模型岩土层物理力学参数表 2) 地震波的合成 地震动具有不可精确预测性和不可重复性的特征，由于真实的地震波难以在获得，目前普遍采用人工合成地震波进行地震动分析。地震动时程的合成采用《工程场地地震安全性评价》(GB 17741-2005) [ 15 ] 技术标准或《地震安全性评价技术教程》 [ 16 ] 推荐的方法，本文采用的地震波数据引自地震安全性评价报告相关成果，主要采用国家地震局推荐的地震危险性分析程序包，计算得到了工程场地在不同超越概率水平下的地震烈度值、基岩水平峰值加速度及基岩水平加速度反应谱。 人工地震波合成的基本思路是用一个三角级数构造平稳高斯过程，然后乘以确定性的包线，得到非平稳过程，其形式如式(1)。 a ( t ) = f ( t ) ∑ k = 0 n A k cos ( ω k t + ψ k ) (式1) 式中， ψ k 为相角，通常认为是在(0， 2π)区间内均匀随机分布； A k 与 ω k 分别为第k个频率； f ( t ) 为强度包线。在拟合目标反应谱时，首先选择一个初始时程 a 0 ( t ) ，计算这一时程的反应谱，根据计算结果与目标反应谱的差异来调整幅值谱 A k ，从而生成新的时间过程；重复上述过程直到时程的反应谱与目标普满足误差要求为止。 本次选用地震安全性评价人工合成的50年超越概率63% (等效地震烈度6.5度)、10% (等效地震烈度8度)的地震加速度时程。截取前28 s时程数据，单位时间步长0.02 s，总共1400个数据点。P50 = 10%水平地震加速度时程曲线，如图7。 图7. 超越概率10%加速度时程曲线 3) 边界条件设定 ① 底部边界假定水平和竖直方向均为固定；② 侧向边界由于斜坡体存在自重应力，且自重应力对填方体的固结沉降和斜坡稳定性影响非常大，地震作用下基岩及填方体向后缘无限延伸，水平位移较小，因此假定水平向固定，竖直向自由；③ 顶部边界水平和竖直方向均为自由；④ 阻尼比系数λ = 0.05；⑤ 放坡比1:2.5。 4) 时程计算方案 按照如图8的技术路线进行各条件下边坡地震动响应和变形特征分析。 图8. 地震动分析技术路线图 5) 结果分析 ① 地震烈度对边坡变形的影响 地震烈度6.5度，清表 + 清除泥炭层不做其他地基处理的条件下。边坡X向最大相对位移0.097 m，Y向最大相对位移0.054 m，边坡永久变形量0.098 m，变形区域集中于边坡顶部，如图9。 图9. 地震烈度6.5度边坡永久变形特征 地震烈度8.0度，边坡X向最大相对位移0.282 m，Y向最大相对位移0.164 m，边坡永久变形量0.305 m，变形区域位于边坡上部，且变形区域表现出向坡顶后缘和边坡中下部扩展的趋势，塑性变形区与6.5度相比明显增大，如图10。 图10. 地震烈度8.0度边坡永久变形特征 监测数据显示，烈度8.5度与6.5度相比，边坡永久变形量增大了约5倍，可见边坡动力变形与地震烈度呈正相关关系。位移数据反映出X向位移大于Y向位移，说明了水平向地震作用更易激发边坡的变形，且得出边坡坡面位置，尤其是坡顶部位对地震的反应较为敏感，是主要的变形破坏区。 ② 边坡不同坡比动力响应分析 合理的放坡坡比对确保边坡稳定十分重要，同时还影响到边坡的抗震性能。研究中采取1:2.5、1:3.0两种放坡进行对比分析，主要采取以下几种方案： A——坡比1:2.5放坡与1:3.0不进行地基处理条件下动力响应对比分析； B——坡比1:2.5条件下地基处理前后边坡动力响应分析； C——坡比1:2.5放坡与1:3.0地基处理后动力响应对比分析。 (A) 坡比1:2.5与1:3.0不进行地基处理条件下动力响应对比分析 结果表明，1:3.0放坡与1:2.5放坡相比，边坡整体变形量有所减小，特别是坡顶部位的塑性变形区变化较明显，如图11，坡脚X向相对位移也有部分减小。 (B) 坡比1:2.5地基处理前后边坡动力响应分析 对填方边坡底部粉质粘土进行换填，换填深度一般1~8 m，土层厚度 < 5 m部位进行全部换填，土层厚度 > 10 m部位进行部分换填，并进行强夯处理。处理后与处理前相比，坡顶永久变形量减小了5.25%，中部减小了26.6%，坡脚减小了1.1%。可见，地基处理对边坡中部变形影响较明显，主要原因在于，边坡中部填筑体底部原地基存在深厚粉质粘土层，地基处理后承载力得到大幅提高，不均匀变形将减小，如图12。因此，地基处理对减小边坡地震变形是有效的，可以有效提高地基承载力，降低地震引发填方边坡产生过大沉降、不均匀沉降、坡面变形的风险。 图11. 烈度8.0边坡永久变形特征(坡比1:3.0) 图12. 1:2.5放坡地基处理后边坡永久变形特征(坡比1:3.0) 换填前后，坡顶4#、中部6#、坡脚8#监测点X、Y向相对位移时程曲线，如图13~16。 换填前后，坡顶及中部4#、6#监测点峰值加速度时程曲线，如图17~20。 图13. 换填前坡面监测点X向相对位移 图14. 换填后坡面监测点X向相对位移 图15. 换填前坡面监测点Y向相对位移 图16. 换填后坡面监测点Y向相对位移 图17. 4#点X向峰值加速度 图18. 4#点Y向峰值加速度 图19. 6#点X向峰值加速度 图20. 6#点Y向峰值加速度 换填后4号点、8号点的峰值加速度大于了换填前的峰值加速度，只有6号点换填后的峰值加速度小于换填前的峰值加速度，这说明填方地基软弱基层具有一定的隔震作用，换填后填方体厚度增大，反而对地震波有一定程度的放大作用，但放大作用有限对边坡影响较小。 (C) 坡比1:2.5与1:3.0地基处理后边坡动力响应分析 1:2.5放坡地基处理后坡顶4号监测点X向最大相对位移0.278 m，Y向最大相对位移0.156 m，边坡永久变形量0.289 m；1:3.0放坡地基处理后X向最大相对位移0.266 m，Y向最大相对位移0.178 m，边坡永久变形量0.292 m。初步得出，增大放坡坡比后结合进行地基处理对减小边坡X向永久位移有效，对减小Y向永久作用不明显。6号、8号监测点显示增大坡比并进行地基处理对减小边坡Y向永久位移具有一定效果，但对减小X向永久位移效果不明显。 ③ 坡脚反压对边坡动力响应的影响 坡脚设置反压平台，反压平台高度H = 30 m，长度D = 115 m，放坡坡比1:3.0~1:3.5。 计算获得无反压与反压情况下坡面顶部、中部、坡脚部位监测点位移特征，如表2。 结果显示，设置反压平台对减小边坡中部及上部动力位移效果较好，如图21。坡脚反压可有效改善边坡的应力分布，特别对改善坡脚部位的应力分布效果最明显，减小坡脚的应力集中程度，增加边坡的抗滑力，提高边坡的稳定性。 图21. 坡脚反压边坡永久变形特征 Table 2 Changes in peak acceleration at slope monitoring points before and after backpressur 点号 类型 X峰值加速度(g) Y向峰值加速度(g) 4# 无反压 1.046 0.697 反压 0.952 0.655 差值 0.094 0.042 百分率(%) 9.0 6.02 6# 无反压 1.049 0.743 反压 1.045 0.586 差值 0.004 0.157 百分率(%) 0.38 21.1 8# 无反压 1.284 0.859 反压 0.975 0.579 差值 0.309 0.28 百分率(%) 24.1 32.6 表2. 反压前后坡面监测点峰值加速度变化 由上表可知，反压情况下坡面各点的地震峰值加速度普遍小于无反压情况下的峰值加速度，特别是坡顶和坡脚部位变化特别明显。坡顶反压后X向峰值加速度平均减小了7.5%，坡脚部位平均减小了28.35%。可见采取反压措施可有效的降低边坡的地震加速度，从而降低边坡地震动响应程度。 ④ 边坡的位移及加速度高程放大效应特征 边坡内部相同X坐标下，不同高程位置地震动响应特征，选取坡顶位置对应监测点4、13、14、15、16、17#监测点进行定量分析，监测点计算结果，如表3。 Table 3 Statistics of ground motion response data at vertical monitoring points on slope top 填方高 度/m X向相对 位移/m Y向相对 位移/m X向加 速度/g Y向加 速度/g 102 0.3010 0.1700 1.0238 0.6923 83 0.2567 0.1730 0.5737 0.3740 61 0.2462 0.1604 0.5033 0.4380 42 0.2303 0.1286 0.4760 0.4327 26 0.1841 0.1053 0.5491 0.4947 1.0 0.0484 0.0256 0.4480 0.3220 表3. 坡顶垂向监测点地震动响应数据统计 随着竖直向填方高度的增加，边坡整体X、Y向位移无明显变化；X、Y向相对位移与垂向填方高度呈指数正相关关系，如图22、图23。X向加速度与垂向填方高度呈二次多项式正相关关系，Y向加速度与垂向填方高度未表现出明显的相关关系。 采用最小二乘法拟合后获取了X、Y向相对位移与垂向填方高度的关系函数： H d x = 0.0496 x 0.3901 (2) S d y = 0.026 x 0.4244 (3) 式中：H dx 为X向相对位移(m)；S dy 为Y向相对位移(g)；x为垂向填方高度(m)。 X向加速度与垂向填方高度的关系函数： A x = 9 e − 0.5 x 2 − 0.0052 x + 0.5158 (4) 式中：A x 为X向相加速度(m)；x为垂向填方高度/厚(m)。 图22. 垂向填方高度与X相对位移关系曲线 图23. 垂向填方高度与Y相对位移关系曲线 坡顶4号监测点X向相对位移为填方体底部17号点的6.22倍，Y向相对位移为其6.64倍，X向加速度为其2.29，Y向加速度为其2.15倍。可见，垂向填方高度越高地震动响应越强烈，填方边坡垂向上存在较为明显的位移和加速度高程放大效应。 边坡坡面是震害相对集中的部位，选取坡面不同高程位置的4、5、6、7、8、9#监测点进行定量分析，监测点相对位移及加速度监测值，如表4。 Table 4 Data statistics of calculation results of ground motions on slope surface monitoring point 边坡高度/m X向相对位移/m Y向相对位移/m X向加速度/g Y向加速度/g 116 0.3010 0.1700 1.0238 0.6923 97 0.2906 0.1500 1.0491 0.6711 66.5 0.1926 0.0831 1.0219 0.6982 37 0.1364 0.0595 0.8909 0.5969 16.5 0.0961 0.0534 1.3060 0.9567 1.0 0.0587 0.0182 1.1076 0.8447 表4. 边坡表面监测点地震动计算成果数据统计 边坡坡面4、5、6、7、8、9#监测点监测数据反映出，X向相对位移与边坡高度呈线性正相关关系，如图24，Y向相对位移与边坡高度呈二次多项式关系，如图25。坡面加速度数据表现出“V”字型特征，即边坡上部和下部X、Y向加速度较大，中部加速度最小，如图26、图27。 图24. 边坡高度与X向相对位移关系曲线 图25. 边坡高度与Y向相对位移关系曲线 图26. 边坡高度与X向加速度关系曲线 图27. 边坡高度与Y向加速度关系曲线 采用最小二乘法拟合后获取了X、Y向相对位移与边坡高度的关系函数： H f x = 0.0022 x + 0.0568 (5) X向加速度与边坡高度的关系函数： S f x = 5 e − 06 x 2 + 0.0007 x + 0.026 (6) 式中：H fx 为X向相对位移(m)；S fy 为Y向相对位移(g)；x为边坡高度(m)。 分析得出，坡面变形量坡顶部位最大，靠近坡脚部位最小，相对位移表现出明显的高程放大效应。加速度监测数据反映出，边坡上部1/3至顶部部位加速度变化最显著，其次为坡脚部位，边坡中部最弱，加速度与边坡高度表现出“V”字型特征关系。