高填方浸水路堤地震動(dòng)穩(wěn)定性及變形特性分析

姚洪錫

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

高填方浸水路堤地震動(dòng)穩(wěn)定性及變形特性分析

姚洪錫

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

利用GeoStudio軟件系列建立了一個(gè)高填方浸水路堤二維動(dòng)力耦合數(shù)值分析模型，分析了地震作用下路堤的變形性狀和穩(wěn)定性變化規(guī)律，以及三峽庫區(qū)水位對(duì)路堤變形性狀和穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，地震荷載作用下，土層在地震慣性力的作用下其剪切模量迅速降低，發(fā)生較大的剪切變形，最大剪切變形由坡腳軟弱層、中部交界面和填筑體邊坡坡頂處迅速拓展形成滑動(dòng)面，穩(wěn)定系數(shù)也急劇下降，且路堤的地震動(dòng)最小穩(wěn)定系數(shù)隨著庫區(qū)水位的升高而逐漸減小。高填方浸水路堤的水平位移和豎向沉降發(fā)生部位具有明顯特征規(guī)律，且隨著庫區(qū)水位的升高而不斷增加。

高填方浸水路堤； 地震動(dòng)； 穩(wěn)定性； 變形特性

地震是觸發(fā)路基變形和邊坡失穩(wěn)的重要原因之一。我國(guó)特殊的地理地質(zhì)條件不可避免地帶來了大量和地震作用有關(guān)的路基邊坡問題[1]。隨著國(guó)家“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略的實(shí)施和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，相當(dāng)多的山區(qū)鐵路客運(yùn)專線將建在西部強(qiáng)震區(qū)，路堤的地震動(dòng)穩(wěn)定性問題日趨突出，尤其是填方高度達(dá)到40m以上時(shí)穩(wěn)定系數(shù)偏低[2]。路堤邊坡穩(wěn)定系數(shù)與填料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)及密度、地下水位和地震參數(shù)等密切相關(guān)。三峽水庫蓄水后，長(zhǎng)江中上游的水位大幅度地升高，而沿著長(zhǎng)江及其支流岸坡修建的鐵路和公路大多高程相對(duì)較低，這些路堤或半填半挖路基的一部分位于庫區(qū)蓄水位以下，從而使得這些路堤受到蓄水的影響變成了浸水路堤[3]。浸水路堤病害在地震動(dòng)作用下會(huì)進(jìn)一步影響路堤的穩(wěn)定性和變形性狀，地震導(dǎo)致路堤失穩(wěn)引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害非常嚴(yán)重，尤其是高填方路堤，所以高填方浸水路堤在地震動(dòng)作用下的穩(wěn)定性和變形性狀是值得高度重視和深入研究的新課題。

GeoStudio軟件系列可以很好地解決二維平面動(dòng)力分析問題，已經(jīng)成功地應(yīng)用于巖土邊坡穩(wěn)定性及地震動(dòng)力響應(yīng)分析等諸多領(lǐng)域[3-7]。為了研究高填方浸水路堤的地震動(dòng)變形性狀和地震動(dòng)穩(wěn)定性變化過程，本文利用GeoStudio軟件系列中的各分析模塊建立了一個(gè)高填方浸水路堤的二維動(dòng)力數(shù)值模擬模型，模擬了地震引起的地震動(dòng)響應(yīng)，對(duì)高填方浸水路堤的地震動(dòng)變形性狀和邊坡穩(wěn)定性以及三峽庫區(qū)水位升降的影響做了有益的探討。

1 高填方浸水路堤地震動(dòng)計(jì)算模型

1.1 計(jì)算模型與邊界條件

以處于三峽庫區(qū)內(nèi)的某貨運(yùn)站場(chǎng)高填方浸水路堤為原型(圖1)，建立一個(gè)二維動(dòng)力數(shù)值分析模型，模型邊界采用長(zhǎng)×高×厚=410m×116m×1m為邊界范圍，最大高差約76m，路堤邊坡斜率為1∶2，填方上共有44股軌道。上部荷載換算土柱按I級(jí)鐵路特重型進(jìn)行換算，換算土柱的截面為3.2m×3.7m，由于此填方位于站場(chǎng)部分，所以可將離散的換算土柱簡(jiǎn)化為均布的換算土柱。

圖1 典型斷面

為探討地震荷載作用下的高填方浸水路堤的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，采用巖土分析軟件GeoStudio軟件系列建立高填方浸水路堤的二維動(dòng)力耦合計(jì)算模型。對(duì)路堤這樣的半無限體進(jìn)行模擬時(shí)，依賴于平面中有限區(qū)域離散化的數(shù)值方法，靜態(tài)分析時(shí)采用的固定邊界；動(dòng)力分析時(shí)在底面采用固定邊界，四周采用部分自由場(chǎng)邊界。模型本構(gòu)模型和屈服準(zhǔn)則分別采用線彈性本構(gòu)模型和Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。計(jì)算模型和邊界條件設(shè)置如圖2所示。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

1.2 巖土物理力學(xué)參數(shù)

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

1.3 數(shù)值計(jì)算工況

1.3.1 地震荷載

為模擬地震動(dòng)參數(shù)對(duì)高填方浸水路堤的動(dòng)力響應(yīng)的影響，輸入ElCentro地震波(1940，N-S向)。相關(guān)研究表明持時(shí)對(duì)加速度峰值響應(yīng)的影響不大，因此截取地震波的前10s作為輸入的荷載，最大加速度為0.348 42m/s2，發(fā)生在第2.14s(圖3)。

圖3 El Centro地震波前10s的水平加速度時(shí)程曲線

1.3.2 三峽庫區(qū)水位

三峽大壩建成蓄水后，庫區(qū)水位會(huì)逐漸升高到設(shè)計(jì)水位，在百年洪水時(shí)水位會(huì)上升到峰水位。為研究高填方路堤在浸水作用下的地震動(dòng)變形性狀和穩(wěn)定性文中選取了常年蓄水位進(jìn)行研究。為考察不同水位下路堤的地震動(dòng)響應(yīng)特性，本文又選取了3個(gè)特征水位進(jìn)行計(jì)算比較分析，如表2所示。

表2 三峽庫區(qū)特征水位

2 常年蓄水位下高填方浸水路堤

2.1 地震動(dòng)穩(wěn)定性分析

地震荷載作用下高填方浸水路堤穩(wěn)定性隨時(shí)間的變化曲線如圖4所示，由圖可知地震動(dòng)最小安全系數(shù)為1.027，發(fā)生于第4.48s。

圖4 蓄水位下地震動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)時(shí)程曲線

由于動(dòng)剪應(yīng)力隨震動(dòng)時(shí)間而不同，坡體的動(dòng)力抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)也是時(shí)間的函數(shù)。在動(dòng)荷載荷載作用下，邊坡在瞬間進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)。圖5是地震荷載作用下高填方浸水路堤最危險(xiǎn)滑動(dòng)面形狀與位置，由圖可知最危險(xiǎn)滑面穿過了人工填土、填料與地基交界面和片石壩。

圖5 蓄水位下最危險(xiǎn)滑面形狀與位置

高填方路堤在上層軟弱下層相對(duì)堅(jiān)硬的地基上的進(jìn)行填筑，在地震慣性力逐漸增大的過程中，地震慣性力產(chǎn)生的破壞效應(yīng)越來越嚴(yán)重，填筑體最大位移與最大沉降也增大。軟弱土層在地震慣性力的作用下其剪切模量迅速降低，發(fā)生較大的剪切變形，最大剪切變形由坡腳軟弱層、中部交界面和填筑體邊坡坡頂處迅速拓展形成滑動(dòng)面，穩(wěn)定系數(shù)也急劇下降，當(dāng)降低到一定程度就會(huì)失穩(wěn)破壞。在地震波慣性力的作用下，當(dāng)碰到交界面時(shí)，交界面是強(qiáng)度突變的地方，容易產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變集中，滑裂面容易在交界面產(chǎn)生。

2.2 地震動(dòng)變形分析

最不利時(shí)刻路堤水平位移分布如圖6所示，從圖中可以看出，在地震作用下，路堤路肩附近的水平位移較其它部位明顯大得多，路肩附近最大水平位移達(dá)180.99mm。最不利時(shí)刻路堤豎向沉降分布如圖7所示，從圖中可以看出，在地震作用下，路基面路肩和路堤邊坡中心附近的豎向沉降較其它部位明顯大得多，路肩附近最大豎向沉降達(dá)25.31mm。

圖6 高填方浸水路堤的水平位移云圖

圖7 高填方浸水路堤的豎向沉降云圖

由于地震產(chǎn)生的水平慣性力反復(fù)作用，填筑體體結(jié)構(gòu)被破壞，巖土體結(jié)構(gòu)間聯(lián)結(jié)力與聯(lián)結(jié)數(shù)量減少，填筑體的剪切模量在動(dòng)應(yīng)力的作用下減小，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度變小，坡體產(chǎn)生了剪切變形。由圖6可知，地震荷載作用下，在最不利時(shí)刻此高填方浸水路堤的水平位移值發(fā)生部位具有明顯特征規(guī)律。最大水平位移出現(xiàn)于路肩附近，隨著路堤深度的增加，水平位移逐漸減小，而且不同高程上的最大水平位移都出現(xiàn)在路堤中部。

江水入滲導(dǎo)致填筑體內(nèi)孔隙水壓力的上升，改變了邊坡體應(yīng)力狀態(tài)，降低了填筑體內(nèi)部的有效應(yīng)力。由圖7可知，地震荷載作用下，在最不利時(shí)刻此高填方浸水路堤的豎向沉降值發(fā)生部位具有明顯特征規(guī)律。最大水平位移出現(xiàn)于路基面路肩和路堤邊坡中心附近，隨著路堤深度的增加，豎向沉降逐漸減??；在路基面中心出現(xiàn)向上的位移，這與此時(shí)刻的地震動(dòng)強(qiáng)度有關(guān)。

3 水位變化對(duì)高填方浸水路堤的影響

3.1 水位變化對(duì)地震動(dòng)穩(wěn)定性的影響

三峽庫區(qū)水位位于枯水位、正常蓄水位和百年峰水位時(shí)的地震動(dòng)最小穩(wěn)定系數(shù)如圖8所示。

圖8 地震動(dòng)最小穩(wěn)定系數(shù)隨水位的變化曲線

由圖8可知，隨著庫區(qū)水位的升高，路堤的地震動(dòng)最小穩(wěn)定系數(shù)逐漸減小，庫區(qū)水位每升高10m，地震動(dòng)最小安全系數(shù)就約減小0.06。

3.2 水位變化對(duì)地震動(dòng)變形的影響

三峽庫區(qū)水位位于枯水位、正常蓄水位和百年峰水位時(shí)高填方浸水路堤路肩下各點(diǎn)的水平位移如圖9所示。

圖9 路堤路肩下各點(diǎn)水平位移分布

由圖9可知，最大水平位移值出現(xiàn)在路堤填土層高度的中下部附近，由上至下，隨著路堤深度的增加，側(cè)向位移值逐漸增大，達(dá)到最大值后側(cè)向位移值又會(huì)急劇減小。而且，隨著水位的升高，路堤的水平位移逐漸增大，尤其是路堤填土層上部。

三峽庫區(qū)水位位于枯水位、正常蓄水位和百年峰水位是的路基面豎向沉降如圖10所示。

圖10 路基面橫向各點(diǎn)豎向沉降分布

由圖10可知，路基面最大豎向沉降出現(xiàn)在路基面中心兩側(cè)，由左至右，豎向沉降值出現(xiàn)兩個(gè)峰值，在接近靠山側(cè)時(shí)又會(huì)急劇減小。而且，隨著水位的升高，路肩附近的最大豎向沉降值逐漸增大，而路基面中心附近的最大豎向沉降值逐漸減小。

4 結(jié)論

(1)地震荷載作用下，軟弱土層在地震慣性力的作用下其剪切模量迅速降低，發(fā)生較大的剪切變形，最大剪切變形由坡腳軟弱層、中部交界面和填筑體邊坡坡頂處迅速拓展形成滑動(dòng)面，路基邊坡穩(wěn)定系數(shù)也急劇下降。

(2)隨著庫區(qū)水位的升高，路堤人工填土浸入水中的體積增多，從而使水對(duì)路堤地震動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)的影響逐漸增強(qiáng)，路堤的地震動(dòng)最小穩(wěn)定系數(shù)逐漸減小。

(3)最大水平位移值出現(xiàn)在路堤填土層高度的中下部附近，由路肩處向下，水平位移值隨著路堤深度的增加而增大，達(dá)到最大值后又急劇減小，且路堤的水平位移隨著庫區(qū)水位的升高而增大。

(4)路基面最大豎向沉降出現(xiàn)在路基面中心兩側(cè)，豎向沉降隨著高程的增加而增加；在路基面上，豎向沉降值出現(xiàn)兩個(gè)峰值，在接近靠山側(cè)時(shí)又會(huì)急劇減??；靠路肩側(cè)的最大豎向沉降值隨著水位的升高而增大，靠山側(cè)的最大豎向沉降值則呈減小趨勢(shì)。

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姚洪錫(1983～)，男，工程師，主要從事鐵路設(shè)計(jì)與研究工作。

U213.1+57

A

[定稿日期]2015-03-17