具有张力截止效应和强度衰减特性的桩加固边坡的3D地震位移分析

《Soil & Environmental Health》：3D seismic displacement analysis of pile-reinforced slopes with tension cut-off and degrading strength

三维抗滑桩边坡地震位移分析中，基于张拉截止修正的Mohr-Coulomb准则与上限极限分析法，结合考虑土体剪切强度衰减的Newmark方法，揭示了桩位、张拉截止分数及坡宽高比对位移突变的影响规律，发现凝聚力衰减系数Rc*与边坡稳定性正相关，最优桩位偏移及张拉截止分数与位移趋势的非线性关系。

　　本研究聚焦于地震作用下边坡的位移分析，特别是在考虑抗滑桩布置、拉伸截断比例以及边坡宽度与高度比等因素的影响下，对三维旋转型滑动机制进行了系统探讨。通过引入简化强度退化模型（SDM）与修正的粘聚力降低系数，对传统Newmark方法进行了改进，以更准确地反映边坡在滑动过程中的强度变化。此外，研究还结合了上界极限分析法（LAM）来评估边坡在地震作用下的稳定性，并探讨了抗滑桩在不同位置对边坡位移的影响。这些方法的结合为地震引发的滑坡灾害提供了更为科学和实用的评估工具。

地震是导致边坡失稳的重要因素之一。在强烈地震作用下，边坡内部的土体可能因地震波的冲击而失去原有的平衡状态，从而引发滑动。为了防止这类地质灾害，工程实践中通常采用多种加固措施，如抗滑桩、挡土墙和土工织物等。其中，抗滑桩因其施工扰动小、滑动阻力大等优点，被广泛应用于潜在滑坡区域的加固。然而，如何准确评估抗滑桩对边坡的抗震效果，是当前研究的一个重点。

传统的Newmark方法是目前应用最为广泛的地震位移计算方法之一。该方法通过将地震动转化为等效的伪静力荷载，并结合极限平衡原理，估算边坡在地震作用下的位移量。然而，这种方法的一个显著缺陷在于其假设土体的强度参数在整个滑动过程中保持不变，而忽略了实际情况下土体强度可能因滑动而发生退化。因此，基于传统Newmark方法的位移预测结果往往与实际观测值存在较大偏差，尤其是在高强度地震作用下。

为了解决这一问题，本研究引入了一种简化的强度退化模型，用于描述边坡土体在滑动过程中强度的动态变化。该模型通过将粘聚力与剪切强度的变化与滑动位移进行关联，使得计算过程中能够实时调整土体的强度参数。这种方法不仅考虑了滑动过程中土体的强度损失，还为后续的地震位移计算提供了更为合理的力学基础。此外，研究还对传统的线性Mohr-Coulomb（M-C）屈服准则进行了修正，引入了拉伸截断理论，以更准确地反映土体在拉伸作用下的失效特性。

在边坡滑动过程中，土体的强度变化往往具有明显的非线性特征。特别是在高强度地震作用下，土体可能经历剧烈的剪切变形，导致其剪切强度显著降低。与此同时，拉伸作用也可能在某些区域发生，而拉伸强度的退化则可能进一步加剧边坡的失稳。因此，为了更真实地模拟边坡在地震作用下的滑动过程，本研究采用了一种三维旋转型滑动机制，并结合拉伸截断修正的M-C屈服准则，构建了更为精确的分析模型。这种模型能够更合理地描述边坡在滑动过程中的几何形态和力学行为，从而提高地震位移计算的准确性。

通过采用上界极限分析法，研究进一步探讨了边坡在地震作用下的极限状态。上界极限分析法是一种基于能量守恒原理的极限分析方法，能够估算边坡在极限状态下的位移量。然而，该方法在计算过程中通常假设土体的内摩擦角保持不变，这与实际情况存在一定的偏差。为此，研究提出了一种补偿性方法，通过修正内摩擦角的计算方式，使其能够适应土体强度退化的情况。这种方法不仅提高了上界极限分析法的适用性，还增强了其在实际工程中的预测能力。

研究还对不同的参数进行了系统分析，包括抗滑桩的位置、拉伸截断比例以及边坡的宽度与高度比。这些参数对地震位移的计算结果具有显著影响。例如，抗滑桩的位置对边坡的抗震性能至关重要。研究发现，抗滑桩的最佳布置位置通常接近边坡的坡顶，但在某些情况下，如拉伸截断比例较低时，抗滑桩的布置位置可能需要向坡脚方向略微偏移。这一现象表明，抗滑桩的布置位置需要根据具体地质条件和地震动特性进行优化，以达到最佳的抗震效果。

此外，研究还发现，拉伸截断比例对边坡的地震位移具有重要影响。当拉伸截断比例较低时，边坡的地震位移通常较大，而当拉伸截断比例较高时，边坡的地震位移则相对较小。这一结果表明，拉伸截断的引入能够有效限制边坡的滑动位移，从而提高边坡的抗震性能。然而，这种影响并非在所有情况下都保持一致，特别是在抗滑桩布置位置不同的情况下，拉伸截断比例对位移的影响可能发生变化。

边坡的宽度与高度比（B/H）也是影响地震位移的重要参数之一。研究发现，B/H比对地震位移的影响在一定程度上取决于其他参数的组合。例如，在一定的B/H范围内，强度退化会导致边坡的地震位移显著增加，而拉伸截断则可能使这一趋势提前发生。因此，在实际工程中，需要综合考虑B/H比、抗滑桩位置以及拉伸截断比例等因素，以优化边坡的抗震设计。

通过对比简化强度退化模型（SDM）与传统恒定强度模型（CSM）的计算结果，研究还发现，SDM在预测边坡地震位移方面具有更高的准确性。这表明，考虑土体强度退化对于提高地震位移计算的可靠性至关重要。尤其是在高强度地震作用下，SDM能够更真实地反映土体在滑动过程中的力学行为，从而为边坡的抗震设计提供更为科学的依据。

为了验证所提出方法的有效性，研究对一种退化模型进行了详细分析，并将其与Liu等人的研究结果进行了对比。该模型采用X_p/L_x = 0的参数设置，并将粘聚力和内摩擦角的退化系数均设为1，以模拟传统Newmark方法的计算过程。通过对比不同计算模型的位移结果，研究发现，SDM能够更准确地预测边坡的地震位移，尤其是在高强度地震作用下，SDM的预测结果与实际观测值更为接近。

此外，研究还利用了PEER NGA-West2数据库中的四组地震加速度记录作为输入，以评估不同地震动条件下边坡的位移响应。通过对这些加速度记录的缩放处理，研究更直观地展示了不同计算模型之间的位移差异。结果表明，SDM在多种地震动条件下均表现出较高的计算精度，能够有效反映边坡在地震作用下的动态行为。

综上所述，本研究通过引入简化强度退化模型和拉伸截断修正，对传统Newmark方法进行了改进，并结合上界极限分析法，对三维旋转型边坡的地震位移进行了系统分析。研究结果表明，抗滑桩的位置、拉伸截断比例以及边坡的宽度与高度比等因素对地震位移具有显著影响，而考虑土体强度退化则能够提高地震位移计算的准确性。这些发现不仅为边坡的抗震设计提供了新的思路，也为相关领域的研究奠定了基础。