关于深厚可液化覆盖层上高填石坝地震行为演变及护坡加固机制的研究

《Soil & Environmental Health》：Study on the seismic behaviour evolution and berm reinforcement mechanism of high rockfill dam on deep liquefiable overburden

岩石坝在超深液化覆盖层上的地震响应及加固机制研究。采用Biot动态固结方程与统一塑性模型，分析地震及后地震阶段孔隙水压力演化、剪切应力分布和塑性应变特征，揭示变形模式转变规律，量化下游堆石体通过提高有效应力（降低14.2%至18.5%）、减小剪切应力（降低18.6%至23.3%）改善坝体抗震性能的作用机理，提出最佳堆石体长度存在临界值（≥15.6m时加固效益显著提升）。

　　在地震频发的地区，许多岩石填充坝被建造在覆盖层基础上，这些覆盖层由于其松散的颗粒结构、较差的级配、高压缩性和高饱和度，容易在强震作用下发生液化或弱化，从而对坝体的安全构成重大威胁。本研究以一种高面岩石填充坝为研究对象，其建于超深液化覆盖层之上，通过基于Biot动态固结方程（u-p形式）的全耦合有效应力分析方法，结合统一的全过程广义塑性模型，系统地探讨了岩石填充坝在地震后的行为演化过程。研究揭示了在不同阶段的变形模式与机制，阐明了坝体平台的加固作用，并量化了平台对坝体稳定性的影响。研究结果表明，在地震过程中，坝基下游覆盖层中的超孔隙水压力比（EPWPR）迅速积累，导致局部基础弱化。同时，驱动剪切应力的存在会引发局部剪切破坏，从而导致坝体瞬时流动变形模式，进而引发坝体沉降。随着超孔隙水压力的消散，变形模式逐渐转变为长期固结沉降，其中坝顶沉降占总沉降的约15.5%。下游平台通过增加有效应力、降低驱动剪切应力以及提供横向支撑，显著改善了坝体的抗震性能。平台的加固效果随着其长度和高度的增加而增强，但存在一个临界长度。这些发现为类似工程项目的抗震安全性评估和优化设计提供了理论支持和技术参考。

岩石填充坝因其施工便捷和对基础适应性强，成为覆盖层基础上的首选坝型。然而，覆盖层的物理特性往往使得其在强震作用下表现出复杂的响应行为。在许多强震事件中，如2008年中国四川地震（Mw=7.9）、2010年智利地震（Mw=8.8）、2010-2011年新西兰基督城地震（Mw=7.1和6.2）、2011年日本东北地震（Mw=9.0）、2012年意大利北部地震（Mw=6.1）、2015年尼泊尔加尔各答地震（Mw=7.8）、2018年印度尼西亚苏拉威西地震（Mw=7.5）以及2023年土耳其-叙利亚地震（Mw=7.8），都记录了覆盖层的大规模液化、横向流动和结构破坏现象。这些事件凸显了在高强度地震条件下，覆盖层液化或弱化对坝体安全带来的严重威胁，也强调了对这类高坝结构进行抗震响应机制研究的紧迫性。

目前，用于分析坝-基础系统抗震响应和液化行为的主要方法包括模型试验和数值模拟。尽管模型试验能够直观地反映结构的响应，但受限于相似性准则（如尺寸、阻尼和荷载等），其在模拟边界条件方面存在不足。数值模拟方法则分为总应力法和有效应力法。总应力法通常采用等效线性模型结合简化模型或经验公式来评估液化触发的潜力和程度，虽然可以一定程度上反映剪切模量退化和阻尼变化，但无法明确模拟超孔隙水压力的演化过程，因此在准确捕捉饱和弱土在强震荷载下的真实动态响应方面存在困难。而有效应力分析方法则尝试引入动态孔隙压力模型进行非完全耦合分析，但其EPWP计算基于半经验公式，且在动态响应分析中进行分段和交错处理，导致无法全面考虑孔隙压力瞬态变化过程，忽视了孔隙压力演化与土体变形之间的物理耦合机制。相比之下，基于广义Biot理论的动态固结分析方法能够实现孔隙压力变化与土骨架变形之间的全过程强耦合，特别适用于模拟饱和土层的液化发展行为。然而，这种方法仍在不断发展和完善，其在高坝项目等复杂结构背景下的系统应用仍显不足。

此外，以往的研究主要关注地震期间结构的响应，而忽视了地震后由于超孔隙水压力消散过程引起的固结变形，但这一阶段可能对坝体在超深覆盖层条件下的长期稳定性产生不可忽视的影响。同时，作为一种常见的抗震加固措施，平台结构广泛应用于斜坡或坝基的加固工程中，但其在超深液化覆盖层区域的抗震加固机制及结构参数优化路径仍缺乏系统性的研究。

因此，本研究选取了一种高面岩石填充坝作为研究对象，其建于超深液化覆盖层之上。通过基于Biot动态固结方程（u-p形式）的全耦合有效应力分析方法，结合能够统一描述饱和砂在单调或循环荷载下响应特性的静态和动态广义塑性模型，对坝-基础系统的动态响应行为进行了系统研究。本研究的主要关注点包括：（1）系统分析地震和地震后固结阶段中多个关键响应变量（如超孔隙水压力比、剪切应力、塑性应变和位移）的演化过程及其相互耦合效应，揭示高岩石填充坝在地震后不同阶段的响应特征和差异，从而深入理解其全过程行为演化模式；（2）比较有无平台加固情况下基础土体的强度特性、结构应力状态和外部约束条件，阐明平台结构在减轻基础液化或弱化以及提升坝体抗震能力方面的作用机制；（3）分析平台几何特性（长度和高度）的一系列变化，探讨其对坝体动态响应的影响模式，识别结构参数的加固临界点和最佳范围。这些研究成果对于理解超深覆盖层基础的液化演化机制及其对岩石填充坝抗震响应的影响，具有重要的理论和实践意义。

在具体研究中，采用有限元分析方法对坝体结构进行了建模，模拟了坝体在不同地震阶段的响应行为。研究发现，在地震过程中，覆盖层的超孔隙水压力比迅速增加，尤其是在坝基下游区域，这种压力比的积累导致了局部基础的弱化。同时，驱动剪切应力的出现使得局部剪切破坏发生，进而引发坝体的流动变形模式，导致坝体沉降。随着地震的结束，超孔隙水压力开始逐渐消散，此时坝体的变形模式由瞬时流动变形转变为长期固结沉降。值得注意的是，坝顶沉降在总沉降中占比约为15.5%，这表明在地震后，坝体的沉降主要来自于其顶部区域。因此，对坝顶沉降的控制和预测在坝体抗震设计中具有重要意义。

平台结构的加固作用主要体现在以下几个方面：首先，平台能够增加坝基的有效应力，从而减少驱动剪切应力对基础土体的影响；其次，平台提供了横向支撑，有助于限制坝体的侧向变形；最后，平台的加固作用在地震后尤为显著，因为其能够有效延缓超孔隙水压力的消散过程，从而减缓坝体的沉降速率。然而，平台的加固效果并非随着其长度和高度的增加而无限增强，存在一个临界长度，超过该长度后，平台的加固作用将趋于饱和，无法进一步提升坝体的抗震性能。因此，在设计平台结构时，需要在长度和高度之间进行权衡，以达到最优的加固效果。

为了进一步探讨平台结构对坝体抗震性能的影响，本研究还对不同平台几何特性的坝体进行了对比分析。结果表明，平台的长度和高度对坝体的动态响应具有显著影响。较长的平台能够更有效地分散地震荷载，减少局部应力集中，从而降低坝体发生剪切破坏的风险。而较高的平台则能够提供更强的横向支撑，增强坝体的整体稳定性。然而，平台的加固效果存在一个临界点，即当平台长度超过一定范围后，其对坝体的加固作用将不再显著增加，甚至可能因平台过长而导致其他问题，如施工难度增加或成本上升。因此，在实际工程设计中，需要根据具体的地质条件和地震风险，合理选择平台的长度和高度，以实现最佳的抗震效果。

此外，本研究还关注了地震后超孔隙水压力的消散过程对坝体长期稳定性的影响。在地震结束后，超孔隙水压力的消散会导致坝体基础土体的固结变形，这种变形可能对坝体的长期稳定性产生重要影响。因此，在进行坝体抗震设计时，除了考虑地震期间的瞬时响应外，还需要充分考虑地震后的固结变形过程，以确保坝体在长期运行中的稳定性。研究发现，超孔隙水压力的消散过程是坝体长期沉降的主要原因，因此在设计中应采取措施减缓这一过程，如设置排水系统或采用适当的材料进行加固，以降低坝体的长期沉降风险。

综上所述，本研究通过基于Biot动态固结方程的全耦合有效应力分析方法，结合统一的全过程广义塑性模型，对高岩石填充坝在超深液化覆盖层上的抗震行为进行了系统研究。研究揭示了地震过程中超孔隙水压力比的快速积累及其对坝体基础的弱化作用，同时分析了地震后超孔隙水压力的消散过程对坝体长期稳定性的影响。此外，研究还探讨了平台结构对坝体抗震性能的提升作用，明确了平台几何特性的优化路径。这些研究成果不仅加深了对高岩石填充坝在地震后行为演化模式的理解，还为类似工程项目的抗震设计和优化提供了重要的理论支持和技术参考。