和若鐵路粉細(xì)砂包芯路基邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

吳 鵬

(新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司,新疆 烏魯木齊 830011)

0 引言

和若(和田至若羌)鐵路位于新疆維吾爾自治區(qū)南部和田地區(qū)和巴音郭楞蒙古自治州境內(nèi),線路全長825.476 km,為國家Ⅰ級鐵路,單線,設(shè)計(jì)行車速度為120 km/h[1]。

和若鐵路沿線A、B組填料相對缺乏,運(yùn)距遠(yuǎn),但風(fēng)積粉、細(xì)砂廣泛分布。粉、細(xì)砂填料具有級配不良、無黏性、天然含水率小、保水性差等特點(diǎn),屬于C3組填料,不能直接用作基床層的填料,需進(jìn)行改良措施達(dá)到要求后才能使用。和若鐵路路基長738.529 km,占線路總長的89.5%,其中粉細(xì)砂包芯路基長203.9 km。因此,路基結(jié)構(gòu)采用合適的填料及結(jié)構(gòu)形式以滿足列車動荷載作用下的強(qiáng)度及變形要求,對于保障線路平穩(wěn)長久運(yùn)行具有重要意義。

一些學(xué)者對包芯路基沉降、填筑施工技術(shù)展開了研究,陳桂芬等[2]以格庫鐵路新疆S1標(biāo)風(fēng)積沙包芯路基工程為例,利用Midas GTS/NX有限元軟件對包芯路基、基底進(jìn)行數(shù)值模擬,研究為格庫鐵路運(yùn)營維護(hù)提供了理論依據(jù)。趙建斌等[3]對和若鐵路路基基床底層包芯土填筑施工技術(shù)原理和施工工藝流程進(jìn)行了研究。唐咸遠(yuǎn)等[4]以南寧外環(huán)高速公路K9+680～K9+790路段為研究對象,對包芯法填筑膨脹土路堤的施工技術(shù)進(jìn)行研究,獲得了相關(guān)施工參數(shù)和方法。

以上文獻(xiàn)主要針對包芯路基的沉降和施工技術(shù)方面進(jìn)行了研究,而有關(guān)于粉細(xì)砂包芯路基邊坡穩(wěn)定性研究鮮見,由于和若鐵路現(xiàn)場試驗(yàn)條件的限制,細(xì)砂包芯路堤結(jié)構(gòu)形式較為單一,其基床底層卵礫石土的包邊尺寸和土工格柵的鋪設(shè)方式尚需進(jìn)一步的探討,本文以和若鐵路細(xì)砂包芯路堤試驗(yàn)段為依托,利用FLAC 3D 數(shù)值分析軟件,研究在軌道結(jié)構(gòu)和列車靜荷載作用下,基床底層卵礫石土包邊尺寸、土工格柵加筋間距以及加筋長度對細(xì)砂包芯路堤變形特性和穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

和若鐵路DK111+541～DK111+575段,以填方通過,設(shè)計(jì)時采用粉細(xì)砂包芯路堤填筑型式,路堤面寬度為7.8 m,基床表層為0.6 m,基床底層為1.9 m,基床以下路堤高度為1.971 m,邊坡坡率為1∶1.75。

根據(jù)設(shè)計(jì)文件,路堤基床表層0.6m采用B2組及以上填料;基床底層1.9m芯部采用C2組以下風(fēng)積沙填料,兩側(cè)包邊采用C2組及以上填料,包邊尺寸為2 m;基床底層采用C組及以上填料。在基床表層底部鋪設(shè)土工格柵,以增強(qiáng)路基穩(wěn)定性。粉細(xì)砂包芯路基橫斷面設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 粉細(xì)砂包芯路基設(shè)計(jì)圖(m)

2 粉細(xì)砂包芯路基結(jié)構(gòu)有限元模型

2.1 幾何模型的建立

以和若鐵路粉細(xì)砂包芯路堤試驗(yàn)段DK111+541～DK111+575為研究對象,選取DK111+541斷面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)為模型的計(jì)算參數(shù),由于細(xì)砂包芯路堤為對稱結(jié)構(gòu),可以選取細(xì)砂包芯路堤的一半進(jìn)行模擬計(jì)算?；脖韺雍穸葹?.6 m,基床底層厚度為1.9 m,基床以下路堤高度為1.971 m,邊坡坡率為1∶1.75,路堤頂面寬度為3.9 m,基床底層卵礫石土包邊尺寸為2 m。本文計(jì)算模型中地基的水平計(jì)算寬度為30 m,計(jì)算深度為10 m。其幾何計(jì)算模型如圖2 所示。

圖2 細(xì)砂包芯路堤幾何計(jì)算模型圖

2.2 材料參數(shù)的確定

根據(jù)和若鐵路細(xì)砂包芯路堤施工方案,基床表層采用卵礫石土填料,基床表層底面通鋪雙向土工格柵;基床底層采用細(xì)砂填料和卵礫石土填料;基床底層以下路堤采用細(xì)砂填料;地基為天然地基,主要為細(xì)砂填料。數(shù)值模擬中材料參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告、現(xiàn)場試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)共同確定,具體物理力學(xué)指標(biāo)如表1和表2所示。

表1 細(xì)砂包芯路堤填料參數(shù)表

表2 土工格柵材料參數(shù)表

2.3 本構(gòu)模型以及荷載邊界條件

本構(gòu)模型:地基以及路堤本體采用理想彈塑性模型,土工格柵采用geogrid土工格柵單元。邊界條件:模型底部約束水平和豎向位移,模型兩側(cè)約束水平位移,模型頂面為自由邊界,細(xì)砂包芯路堤的計(jì)算模型如圖3所示。

根據(jù)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10001-2016)[5],對列車荷載和軌道結(jié)構(gòu)荷載進(jìn)行簡化,對于國鐵Ⅰ級客貨共線鐵路、設(shè)計(jì)時速≤120 km、鋼軌質(zhì)量為60 kN/m的鐵路路堤,其荷載分布寬度為3.7 m,單位荷載總計(jì)為66.87 kN/m2,其中軌道單位荷載為18.61 kN/m2,列車單位荷載為48.26 kN/m2,由于模型選取為實(shí)際路堤的一半,因此荷載在模型中的分布寬度為1.85 m。

圖3 細(xì)砂包芯路堤計(jì)算模型圖

2.4 模型的驗(yàn)證

本文選取軌道結(jié)構(gòu)荷載作用下細(xì)砂包芯路堤頂面的最大豎向位移與上文預(yù)測得到的最大工后沉降做對比,進(jìn)而驗(yàn)證模型的可靠性。圖4為數(shù)值仿真得到的細(xì)砂包芯路堤豎向位移云圖。

圖4 數(shù)值仿真細(xì)砂包芯路堤路堤面豎向位移云圖

由圖4可知,在軌道結(jié)構(gòu)荷載作用下,細(xì)砂包芯路堤的最大豎向位移位于路堤面線路中心處,為3.63 mm,地基面的豎向位移為1.95 mm,基于實(shí)測結(jié)果對基床表層表面中心處和地基面處的預(yù)測工后沉降分別為3.11 mm和2.35 mm,結(jié)果較為相近,表明該數(shù)值計(jì)算模型可靠度較高。

3 基于數(shù)值仿真的粉細(xì)砂包芯路基邊坡穩(wěn)定性分析

為探究基床底層不同包邊尺寸、土工格柵不同加筋間距和加筋長度對細(xì)砂包芯路堤工程力學(xué)特性的影響,利用數(shù)值仿真軟件建立不同工況的數(shù)值分析模型,通過對比路堤不同位置的節(jié)點(diǎn)位移和路堤邊坡穩(wěn)定安全系數(shù),研究路堤的變形特性和邊坡穩(wěn)定性。

3.1 不同包邊尺寸下包芯路堤的變形特性和邊坡穩(wěn)定性

為探究基床底層卵礫石土不同包邊尺寸對細(xì)砂包芯路堤工程特性的影響,建立包邊尺寸分別為0 m、0.5 m、1 m、1.5 m、2 m以及2.5 m的路堤計(jì)算模型,通過對比分析,研究包邊尺寸不同對細(xì)砂包芯路堤靜力性能的影響。

3.1.1 不同包邊尺寸下細(xì)砂包芯路堤的變形特性分析

不同包邊尺寸下細(xì)砂包芯路堤的位移云圖基本相似,如圖5和圖6所示。

(a)豎向位移

(b)水平位移

(a)豎向位移

(b)水平位移

由圖5和圖6可知,在軌道自重和列車靜荷載作用下,不同包邊尺寸下細(xì)砂包芯路堤的位移云圖呈現(xiàn)相似的特征,最大豎向位移位于路堤面線路中心,最大水平位移位于路堤邊坡上,且最大豎向位移要遠(yuǎn)大于其最大水平位移。

不同包邊尺寸下細(xì)砂包芯路堤的路堤頂面豎向位移、地基面豎向位移、沿邊坡方向的水平位移以及沿路堤深度方向的豎向位移變化曲線如圖7所示。

(a)路堤頂面豎向位移

(b)地基面豎向位移

(c)坡面水平位移

(d)沿深度方向的豎向位移變化曲線

由圖7(a)可知,路堤頂面的豎向位移與荷載的作用范圍密切相關(guān)。從線路中心至線路邊緣,隨距線路中心距離的增加,路堤頂面的豎向位移逐漸減小,在距離線路中心1.85 m范圍內(nèi),路堤頂面的豎向位移較大,在1.85～3.9 m范圍內(nèi),路堤頂面的豎向位移迅速變小。包邊尺寸為0～2.5 m所對應(yīng)的路堤頂面最大豎向位移分別為16.64 mm、15.65 mm、16.9 mm、16.82 mm、16.67 mm以及16.17 mm。隨包邊尺寸的增加,路堤頂面最大豎向位移的整體變化幅度較小。

由圖7(b)可知,隨距線路中心距離的增加,地基面的豎向位移逐漸減小,與路堤面相比,豎向位移沒有較大的突變?？紤]原因是隨著土體深度的增加,土體內(nèi)部對豎向位移的大小進(jìn)行一定的調(diào)整。包邊尺寸為0～2.5 m所對應(yīng)的地基面最大豎向位移分別為10.6 mm、9.49 mm、10.45 mm、10.37 mm、10.12 mm以及9.53 mm。

由圖7(c)可知,沿路堤邊坡方向,不同包邊尺寸下細(xì)砂包芯路堤的水平位移呈現(xiàn)出先增大后減小的分布規(guī)律。包邊尺寸為0～2.5 m所對應(yīng)的最大水平位移分別為3.4 mm、3.38 mm、3.44 mm、3.46 mm、3.44 mm以及3.61 mm,可以看出基床底層卵礫石土包邊尺寸對細(xì)砂包芯路堤的最大水平位移影響不大。

由圖7(d)可知,不同包邊尺寸下,細(xì)砂包芯路堤豎向位移沿深度方向的變化規(guī)律基本相同,且包邊尺寸對路堤沿深度方向的豎向位移變化規(guī)律影響較小。綜上可知,不同包邊尺寸下,細(xì)砂包芯路堤的最大豎向位移和最大水平位移整體變化幅度較小,表明包邊尺寸對路堤的變形特性影響不大。

3.1.2 不同包邊尺寸下細(xì)砂包芯路堤的邊坡穩(wěn)定性分析

為探究不同包邊尺寸對細(xì)砂包芯路堤穩(wěn)定性的影響,繪制路堤剪應(yīng)變增量和速度矢量云圖,如圖8所示。

(a)包邊尺寸0.5 m

(b)包邊尺寸1.5 m

不同包邊尺寸下細(xì)砂包芯路堤邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)見表3。

表3 不同包邊尺寸下細(xì)砂包芯路堤邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)表

由圖8和表3可知,包邊尺寸為0 m時,細(xì)砂包芯路堤的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.67,邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)較高。隨包邊尺寸的增加,路堤邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)整體變化幅度較小,最大變化幅度僅為2.4%,由此可知,基床底層卵礫石土包邊尺寸對細(xì)砂包芯路堤邊坡穩(wěn)定性影響較小。

綜上可知,從力學(xué)角度分析,包邊尺寸對路堤的變形特性和邊坡穩(wěn)定性的影響較小,卵礫石土包邊填料的主要作用是防風(fēng)固沙。因此,在選取細(xì)砂包芯路堤卵礫石土包邊尺寸時,建議從防風(fēng)固沙的角度考慮。

3.2 不同加筋條件下包芯路堤的變形特性和邊坡穩(wěn)定性

為進(jìn)一步研究土工格柵不同加筋間距和加筋長度對細(xì)砂包芯路堤變形特性和邊坡穩(wěn)定性的影響,本文以包邊尺寸為0.5 m的細(xì)砂包芯路堤為研究對象,加筋范圍為基床底層,加筋間距為0.3 m、0.6 m、0.9 m,加筋長度為3 m(邊坡加筋)和通長加筋,總計(jì)6 種加筋情況,見表4。通過對路堤不同位置的節(jié)點(diǎn)位移和邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行對比分析,進(jìn)而研究加筋間距和加筋長度對細(xì)砂包芯路堤工程力學(xué)特性的影響。

表4 土工格柵加筋方案表

3.2.1 不同加筋條件下細(xì)砂包芯路堤的變形特性分析

土工格柵不同加筋間距和加筋長度下細(xì)砂包芯路堤的位移云圖基本相似,圖9和圖10為加筋間距為0.6 m時邊坡加筋和通長加筋下的路堤位移云圖。

由圖9和圖10可知,不同加筋條件下,細(xì)砂包芯路堤最大豎向位移位于路堤面線路中心,最大水平位移位于路堤邊坡上,且最大豎向位移要遠(yuǎn)大于其最大水平位移。細(xì)砂包芯路堤不同加筋條件下路堤頂面豎向位移、地基面豎向位移、沿邊坡方向的水平位移以及沿路堤深度方向的豎向位移變化曲線如下頁圖11和圖12所示。

(a)豎向位移

(b)水平位移

(b)水平位移

(a)路堤頂面豎向位移

(b)地基面豎向位移

(c)坡面水平位移

(d)沿路堤深度方向的豎向位移變化曲線

(a)路堤頂面豎向位移

(b)地基面豎向位移

(c)坡面水平位移

(d)沿路堤深度方向的豎向位移變化曲線

由圖11(a)、 (b)和圖12(a)、 (b)可知,隨距線路中心距離的增加,細(xì)砂包芯路堤頂面和地基面的豎向位移逐漸減小。采用邊坡加筋,加筋間距為0.3 m、0.6 m和0.9 m時,路堤頂面的最大豎向位移分別為15.58 mm、15.6 mm和15.6 mm,地基面的最大豎向位移分別為9.39 mm、9.42 mm和9.4 mm。采用通長加筋,加筋間距為0.3 m、0.6m和0.9 m時,路堤頂面最大豎向位移分別為14.98 mm、15.21 mm以及15.3 mm,地基面最大豎向位移分別為8.95 mm、9.07 mm以及9.15 mm。相較于包邊尺寸為0.5 m、基床底層未加筋的路堤,當(dāng)采用通長加筋,加筋間距為0.3 m時,最大豎向位移變化幅度最大,減小幅度為4.28%,表明加筋間距和加筋長度對細(xì)砂包芯路堤的最大豎向位移影響較小。

由圖11(c)和圖12(c)可知,隨距路堤頂面豎向高度的增加,水平位移呈現(xiàn)出先增大后減小的分布規(guī)律。加筋間距為0.3 m、0.6 m和0.9 m,邊坡加筋所對應(yīng)的最大水平位移分別為3.15 mm、3.16 mm和3.16 mm;通長加筋對應(yīng)的最大水平位移分別為2.68 mm、3.00 mm以及3.04 mm。綜上可知,包邊尺寸為0.5 m,基床底層未加筋的路堤最大水平位移為3.38 m?？梢钥闯黾咏铋L度相同時,加筋間距對細(xì)砂包芯路堤的最大水平位移影響很小;加筋間距相同時,相較于邊坡加筋,通長加筋能夠顯著降低細(xì)砂包芯路堤的最大水平位移,其中加筋間距為0.3 m,最大水平位移變化幅度最大,為20.7%。

由圖11(d)和圖12(d)可知,不同加筋長度和不同加筋間距下,細(xì)砂包芯路堤的豎向位移隨路堤深度的增加而逐漸減小。

綜上可知,加筋長度相同時,隨著加筋間距的增加,細(xì)砂包芯路堤的最大豎向位移和最大水平位移變化幅度較小;加筋間距相同時,相較于邊坡加筋,通長加筋能夠有效抑制路堤的最大水平位移。

3.2.2 不同加筋條件下細(xì)砂包芯路堤的穩(wěn)定性分析

為探究不同加筋條件下細(xì)砂包芯路堤穩(wěn)定性的影響,繪制路堤剪應(yīng)變增量和速度矢量云圖,圖13為加筋間距為0.6 m時,邊坡加筋和通長加筋下的路堤剪應(yīng)變增量和速度矢量云圖。

(b)通長加筋

不同加筋條件下細(xì)砂包芯路堤邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)見表5。

表5 不同加筋條件下細(xì)砂包芯路堤邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)表

如圖13和表5可知,加筋長度為3 m時,不同加筋間距下細(xì)砂包芯路堤的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均為1.71,分析原因是邊坡加筋的加筋長度尚未延伸到細(xì)砂包芯路堤的滑裂面上,因此邊坡加筋不能提高路堤的邊坡穩(wěn)定性。

采用通長加筋時,隨加筋間距的增加,細(xì)砂包芯路堤邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸減小。加筋間距為0.9 m時,路堤邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.96,遠(yuǎn)大于《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10001-2016)中永久邊坡最小安全穩(wěn)定系數(shù)為1.15 的要求。因此,采用通長加筋,加筋間距為0.9 m時的細(xì)砂包芯路堤可以滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

綜上所述,加筋長度相同時,不同加筋間距對細(xì)砂包芯路堤變形特性和邊坡穩(wěn)定性的影響較小;加筋間距相同時,通長加筋可以明顯提高路堤的變形特性和邊坡穩(wěn)定性。因此,綜合考慮工程技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等因素,對邊坡坡率為1∶1.75、高度≤4.5 m的鐵路細(xì)砂包芯路堤,在選取基床底層卵礫石土包邊尺寸時,建議從防風(fēng)固沙的角度考慮,同時基床底層土工格柵采用通長鋪設(shè)、加筋間距為0.9 m的工程方案。