地震作用下边坡和锚索结构动力相互作用研究

苏创钊

上海交通大学200240

摘要：在地震作用下，边坡与锚索结构动力存在相互作用关系，在FLAC3D软件下建立锚索支护边坡模型，对两者的动力相互作用进行研究，并通过与没有锚索支护的边坡进行比对，分析锚索在地震中的支护效果。

关键词：地震作用；边坡；锚索结构；动力；相互作用

前言

种种迹象表明，目前已进入全球范围的地震活跃期，地震等级水平和发生频率都明显增长。在此情况下，边坡和支护结构的动力相互作用研究及支护结构抗震性研究逐渐成为岩土工程领域的重点研究内容。本文采用FLAC3D软件建立锚索支护边坡模型，通过对震后边坡的水平位移进行比较分析，探索辩驳与锚索结构的动力相互作用关系，以期优化锚索支护效果。

一、锚索支护边坡模型

以岩质高边坡作为研究对象，建立锚索支护边坡模型，对其抗震动力响应进行分析。该岩质高边坡的高度为25m，岩体容重25.7kN/m3，坡脚70°，属于Ⅲ类岩体，位于8度抗震设防区。此边坡为二级边坡，存在一倾角为45°的软弱结构面，边坡的重要性系数为1.0。采取预应力锚索支护方式，锚索横向间距为2.5m，竖向间距3m，单孔设置3束锚索，每束7根，每列6孔。设计预应力为390kN，承载力极限为775kN。锚固段全部锚入基岩，锚头用C35混凝土封闭。支护后的边坡经理安全系数为1.32。利用FLAC3D动力有限元法进行分析，模拟地震波双向输入，为方便计算，垂直向加速度的峰值设置为水平向峰值的2/3[1]。

二、初震时刻的锚索损失动力分析

在地震的初始发生时刻，锚索预应力损失往往较大，采用FLAC3D软件有限元分析法进行数值模拟，对其损失动力响应因素进行分析。在建模过程中，锚索的张拉预应力被设定为390kN，作出锚索预应力的动力时程曲线，读出初震时刻的锚索预应力大小，并计算得到预应力的损失百分比。以一道地震波为例，对同一束中的7根锚索预应力的损失情况进行比较分析。通过比较分析得知，输入的地震波形和峰值加速度对其动力损失影响较小，而锚索布置位置对其影响较大，即布置在竖直方向的上方的预应力损失较小，布置在下放的损失较大。由此可以得出，在初震时刻，锚索预应力损失随锚索位置在竖直方向的从上到下顺序依次递增[2]。

三、地震作用下的边坡支护效果分析

目前关于边坡支护结构的地震作用动力相互作用关系的研究主要偏重于边坡破坏形式和失稳机理等方面，侧重于支护效果的研究较少。本文将利用上述计算模型，对锚索支护效果进行着重分析。边坡的震后位移可以反映出边坡动力特性，以此为依据，对有、无锚索支护的边坡在地震作用力的影响下产生的水平位移值进行比较，可以得出锚索支护在各种地震波中的抗震效果以及关键影响因素。通过上述模型分析和数值模拟计算分析，得出锚索支护边坡的抗震效果主要受地震波类型、峰值加速度、锚索间距和初始张拉预应力的影响[3]。

（一）地震波类型

为研究地震波类型对边坡支护效果的影响，采用三种不同的地震波进行输入，分别是ELCentro波、Qiqi波和Linghe波，其检测结果如表1所示。从中可以看出，在加速度峰值相同的情况下，不同波形地震后的支护边坡水平位移值不同，锚索支护结构在ELCentro地震波下的边坡水平位移最小，支护效果最佳[4]。

（二）峰值加速度

从表1中也可以看住，在波形相同的条件下，峰值加速度不同，锚索支护的边坡水平位移值也不同，说明地震波的峰值加速度对锚索支护效果也有直接影响。通过数值分析可以得出，峰值加速度越大，边坡的响应动力也越大，边坡水平位位移也随之增大，说明锚索支护结构的支护效果会随地震波峰值等增加而减弱。

（三）锚索间距

在同一模型体系下，对锚索间距影响因素进行分析，取0.5m为递增值，分别将锚索间距设置为2~4m，以EL地震波为例进行研究，取峰值加速度为0.2g。通过对检测结果的数据分析可以得出，锚索间距对锚索支护边坡的支护效果有较大影响，随着锚索间距的增加，震后水平位移值明显增加，支护效果呈线性下降趋势。说明锚索间距与锚索支护效果呈负相关关系，在进行支护设计时，要控制好锚索间距，可以通过缩小锚索间距提升支护效果。

（四）初始预应力大小

为研究初始预应力大小对锚索支护效果的影响，在同一模型下，将锚索水平间距固定为2.5m，以10kN为地增量，分别将锚索初始张拉预应力设置为290~540kN。输入的地震波为EL型波，峰值加速度为0.2g。通过模型计算可以在，在450kN之前，锚索支护边坡的震后水平位移值会随着预应力的增加而逐渐减小，但超过450kN后，增加效果就不明显了。这说明初始预应力对锚索支护效果也有直接影响，而且存在一个临界值，可以使锚索支护边坡取得相对优异的抗震效果。

结束语

本文主要采用FLAC3D软件建立锚索支护边坡模型，在地震作用下对边坡和锚索结构动力的相互作用关系进行了研究，主要得出锚索支护结构的抗震效果受地震波形、峰值加速度、锚索间距和初始预应力大小的影响，可以以此为基础对锚索支护方式进行优化。

参考文献

[1]董建华,朱彦鹏,马巍.地震作用下框架预应力锚杆边坡锚固结构的动力计算方法[J].岩石力学与工程学报,2014,(S1):3135-3143.

[2]刘林超,杨骁.地震作用下饱和土-桩-上部结构动力相互作用研究[J].岩土力学,2012,(01):120-128.

[3]赖杰,郑颖人,方玉树,叶海林.预应力锚索支护边坡地震作用下动力响应研究[J].地下空间与工程学报,2011,(S2):1768-1773.

[4]李杰,陈淮,孙增寿,赵晓.工业结构-设备体系在地震作用下的动力相互作用研究[J].地震工程与工程振动,1997,(02):98-105.