西北地區(qū)單體土遺址的地震響應(yīng)分析

西北地區(qū)單體土遺址的地震響應(yīng)分析

0土遺址的保護研究古文物是指歷史上留下的人類生活、生產(chǎn)、文化、宗教和其他活動的場所和場所，具有時代特征。作為人類社會活動的產(chǎn)物,土遺址是歷史信息的載體,一旦破壞,不可再造近年來,對于土遺址的保護研究工作一直開展的如火如荼,使得土遺址的保護研究工作取得長足的進展,其中有關(guān)夯土遺址病害發(fā)育機理和保護對策的研究吸引眾多學者的目光由于土遺址的種類和形式極其繁多,很難以一個確定性的模型或計算方式來獲取較為準確的結(jié)論,即便是賦存于同一地點,也會因其各具特征,造成結(jié)論缺乏普遍適用性1項目總結(jié)1.1陸相碎屑巖巖相特征甘肅省山丹縣屬阿拉善地塊區(qū),為阿拉山臺隆與走廊過渡帶。其地層為下二疊紀大黃山系,與石灰系相伴生,為陸相碎屑巖沉積。該縣位于河西走廊中段,地勢南高北低,為沖積平原地貌,屬大陸高寒半干旱氣候,具有日照長、輻射強、氣溫低、溫差大、降水少而集中、蒸發(fā)量大、自然災(zāi)害較多的特點。山丹縣地處河西走廊地震帶,是地震易發(fā)地區(qū),具有發(fā)生強震的地質(zhì)構(gòu)造背景,也是甘肅省破壞震害嚴重縣之一,歷史上曾發(fā)生過多次強烈地震。1.2劉富溪敵臺保存的主要遺跡山丹縣境內(nèi)的明長城是目前國內(nèi)保存較完整的一段古長城,是“萬里長城”的重要組成部分。而劉富寨敵臺保存相對較為完整,是山丹縣境內(nèi)比較典型的單體土遺址,本文選取其作為研究對象。該遺址為黃土夯筑實心體,平面呈正方形,立面覆斗形,局部殘損,西壁中部較平整,自上而下有一道寬20cm的貫通東西向裂縫,北側(cè)頂部有塊狀坍塌,整體保存較好2動態(tài)模型2.1地基與接觸面根據(jù)對劉富寨敵臺的實地勘察,測其幾何尺寸和裂隙形狀,建立三維模型(圖2),敵臺頂寬8.0m,底寬12.0m,墻高10.0m,地基底寬52.0m,厚度10.0m。裂隙距敵臺邊緣2.0m,寬度0.2m,長度8.0m。共劃分6385個單元,5204個節(jié)點,敵臺與地基之間設(shè)置為接觸面。三維模型地基四邊采用自由場邊界,敵臺四側(cè)自由,設(shè)置動力阻尼為瑞利阻尼,阻尼比為0.062.2計算工況選取2003年10月25日,在甘肅省張掖市民樂、山丹縣之間先后發(fā)生6.1級、5.8級地震。地震造成山丹縣境內(nèi)的明長城3處城墻墻體、2處烽燧發(fā)生倒塌,另有數(shù)十處城墻墻體發(fā)生裂縫和傾斜為探索豎向和水平向地震波對敵臺的影響,本次計算選取三種工況。工況一選取豎向和水平雙向地震波同時輸入;工況二只選取豎向地震波輸入;工況三只選取水平向地震波輸入。2.3邊境條件動力分析采用自由場邊界。由于模型地基為黃土,不能直接施加加速度和速度,而需要將它們轉(zhuǎn)換成應(yīng)力時程,再施加到模型底部式中:σ2.4付款規(guī)則模型本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫倫模型。該模型的意義是剪切面上的主應(yīng)力與正應(yīng)力之比達到最大時,材料發(fā)生屈服破壞式中:σ2.5監(jiān)測點的配置為便于后續(xù)分析,對地基和敵臺的中心點、角點以及裂隙的位移、應(yīng)力和加速度進行監(jiān)測,監(jiān)測點設(shè)置詳見圖4。3最大豎向位移和裂隙發(fā)育高度靜力計算可得到模型在自重作用下的應(yīng)力分布和豎向位移。由圖5可知,在自重作用下,該敵臺最大豎向位移為-0.015mm(負號表示位移向下,下同)。同時由于裂隙的影響,敵臺頂部裂隙兩側(cè)將向裂隙傾斜,最大水平位移為-0.017mm,可忽略不計。重點分析敵臺在雙向地震荷載作用下的動力響應(yīng)。3.1地震荷載作用在地震作用下,該敵臺的水平向位移時程曲線見圖6。由圖6可知,由于剪切波施加在y方向,與東西向一致,所以敵臺呈先西傾后東傾的趨勢(位移為正,敵臺向東傾;位移為負則向西傾)。各監(jiān)測點水平位移最大值均發(fā)生在地震荷載施加約3s后,約為80mm,且隨高度增加,位移量增大,但差值較小。隨著地震荷載的繼續(xù)施加,敵臺水平相對位移減小,說明敵臺在地震荷載作用下并未發(fā)生剪切破壞,但仍產(chǎn)生了約2mm的永久位移。敵臺在施加地震荷載前4s主要以波動型上升為主,此后逐漸下降,同時各監(jiān)測點豎向位移差值開始增大;在第14.5s左右豎向位移量達到最大值(約24mm),此后開始減小。各監(jiān)測點隨高度增加,位移量增大,最后在地震荷載作用下敵臺頂部中點產(chǎn)生了約9mm的永久位移。在單純豎向地震荷載作用下,敵臺頂部中點(圖7)不產(chǎn)生Y向水平位移,在有水平向地震荷載作用的工況中,均產(chǎn)生水平位移,且在雙向地震荷載作用時位移最大,但與單純水平地震荷載作用時差值較小。對于豎向位移,在單純水平地震荷載作用4s后,位移量不變。在有豎向地震荷載作用的工況中,敵臺波動型上升或下降,且在雙向地震荷載作用時位移最大,差值正是因水平荷載產(chǎn)生的永久位移。因此永久位移的產(chǎn)生主要由水平向地震荷載引起。3.2地震荷載作用為研究敵臺在地震作用下是否產(chǎn)生了剪切或拉伸破壞,對其主應(yīng)力進行了分析。圖8為通過敵臺中心并與裂隙走向垂直剖面的最大主應(yīng)力等值線(拉應(yīng)力為正,壓應(yīng)力為負)。從最大主應(yīng)力等值線可見,在地震荷載作用下,敵臺局部產(chǎn)生了拉應(yīng)力,其最大值約為30kPa,主要位于敵臺裂隙北側(cè)中上部。在地基頂面邊界處,產(chǎn)生的拉應(yīng)力最大值為42.8kPa。敵臺和地基的局部均產(chǎn)生了拉應(yīng)力,雖然未超過各自的抗拉強度(50kPa),但安全儲備已不足,非常危險。在豎向和水平雙向地震荷載作用下,敵臺和地基的最大主應(yīng)力均大于單向地震荷載作用工況。在單純豎向地震荷載作用下(圖8(a)),敵臺最大主應(yīng)力均小于單純水平地震荷載作用和雙向地震荷載作用,特別是拉應(yīng)力明顯小于其他兩種工況。由此可知,對敵臺造成破壞的最大威脅是水平向地震荷載作用。3.3x向雙向加速度差異地震動的放大效應(yīng)直接影響到地震災(zāi)害的嚴重程度或大小由圖可知,隨著高度的增加,各監(jiān)測點加速度放大系數(shù)均增大。對于豎向加速度,其放大效應(yīng)受輸入地震波類型影響較小,但對高度較為敏感。在地基底面,放大系數(shù)已達到1.3,而敵臺內(nèi)部加速度放大系數(shù)均升至5.0左右,且差異較小,說明夯土對于豎向地震波的放大效應(yīng)作用不敏感。對于X向(南北向)水平加速度,其隨高度的放大效應(yīng)更為明顯。在地基中下部,加速度有一點程度的降低,而敵臺內(nèi)中上部的放大系數(shù)急速升高,頂部放大系數(shù)達到4.5左右。對于Y向(東西向)水平加速度,其隨高度的放大效應(yīng)相對較弱,近似線性關(guān)系增加。敵臺頂部的放大系數(shù)均小于X向和Z向,且在單純輸入豎向地震波時放大系數(shù)均小于有水平地震波輸入的工況,說明Y向的加速度放大效應(yīng)主要由水平向地震荷載產(chǎn)生。圖9中折線在5m處出現(xiàn)輕微拐點,主要由于該兩處監(jiān)測點位于土體內(nèi)部,受周圍土體影響,而其他監(jiān)測點均位于界面處,對地震放大效應(yīng)更為明顯。而在高度為15m處出現(xiàn)明顯拐點,不僅由于其位于土體內(nèi)部,更主要是由于敵臺上發(fā)育的貫通裂隙,吸收了一定的能量,減弱了放大效應(yīng)。3.4裂隙兩側(cè)監(jiān)測點加速度分布裂隙等病害的發(fā)育改變了敵臺的應(yīng)力狀態(tài),為探討在地震荷載作用下裂隙對敵臺的影響規(guī)律,分析了敵臺頂部裂隙兩側(cè)的位移和加速度放大效應(yīng)。裂隙兩側(cè)監(jiān)測點位移時程曲線如圖10所示。由圖10可知,在豎向和水平雙向地震荷載作用下,各監(jiān)測點的時程規(guī)律與前述類似。水平位移之間差值較小(約1mm),最大位移發(fā)生在11號測點,即最遠離裂隙的角點;最小值卻位于8號測點,即靠近敵臺臨空面的裂隙頂點?？拷严兜?號測點,其位移也較小。由此可見,裂隙對水平向位移有小量的弱化作用。對于豎向位移而言,其之間差值較大(3~5mm),且變化規(guī)律正好與水平位移相反,最大位移發(fā)生在靠近裂隙的7和8測點,其值約為19.2mm,遠大于敵臺頂部中心點的位移。由此可見,裂隙對于豎向位移產(chǎn)生不利的影響更為強烈。不同工況下,裂隙兩側(cè)監(jiān)測點加速度放大系數(shù)如圖11所示。由圖可知,對于頂部測點(位于頂面與立面邊界處),其三向加速度放大系數(shù)均較大,均大于頂部中心點放大系數(shù),且不同工況間幾乎無差別。放大系數(shù)相對最小處位于7號點和10號點,11號點相對較大。對于豎向和X水平向加速度,其放大系數(shù)最大值位于8號點,即靠近臨空面的裂隙頂點。而對于Y水平向加速度,其放大系數(shù)最大值位于9號點。同為敵臺頂部相對稱的兩側(cè)角點,即7號點和11號點的放大系數(shù)卻存在差異,即靠近裂隙的7號點加速度放大系數(shù)小于遠離裂隙的11號點,說明裂隙的存在耗散了部分能量,弱化了7號點的放大效應(yīng)?？偠灾?敵臺頂部邊界處加速度放大系數(shù)最大值位于裂隙兩側(cè),而發(fā)育的裂隙將會弱化其相鄰測點的放大效應(yīng)。4水平向加速度作用通過對山丹劉富寨敵臺在不同方向地震荷載作用下的動力分析,可得出以下幾點結(jié)論:(1)在豎向和水平雙向地震荷載作用下,敵臺頂部中心點最大水平位移量達到80mm,最大豎向位移量達到24mm,但并不在同一時刻產(chǎn)生。最后產(chǎn)生了約2mm的水平永久位移和9mm的豎向永久位移,且永久位移的產(chǎn)生主要由于水平地震荷載引起。(2)在動荷載作用下,在敵臺內(nèi)部裂隙處和地基頂面邊界處產(chǎn)生了拉應(yīng)力集中,雖小于巖土體的抗拉強度,但已非常接近,亟待進行加固設(shè)計,需重點計算抗震設(shè)防標準下水平向地震荷載對遺址的影響,并對加固措施進行評估。(3)隨高度增加,地震加速度放大效應(yīng)更明顯,尤以豎向加速度表現(xiàn)最為強烈,但在夯土敵臺內(nèi)部反應(yīng)不明顯。Y水平向加速度放大效應(yīng)主要由水平向地震荷載引起,且隨高度變化呈近似線性關(guān)系。X水平向加速度