高路基邊坡抗震穩(wěn)定性分析

趙維霞 李洪福 李連海

0 引言

公路是山區(qū)最主要的交通運(yùn)輸手段。隨著西部大開發(fā)的進(jìn)行,將在西部山區(qū)修建越來越多的高等級公路。西部地區(qū)公路的工程地質(zhì)條件非常復(fù)雜,地形地貌變化大,且地震活動(dòng)頻繁,地震烈度、頻率都較高。公路工程屬于帶狀結(jié)構(gòu)物,一條路線少則十幾公里,多則幾百公里,甚至上千公里。而一些公路都不得不通過多地震區(qū),進(jìn)行高填土路基的施工,從十多米到上百米的高填土路基都是經(jīng)常碰到的事情,所以有必要研究地震作用下高填土路基的邊坡穩(wěn)定性。

1 分析方案

1.1 分析方法

采用擬靜力法和有限元法。

1.2 參數(shù)的選用

選用鐵道部第一、二、三勘測設(shè)計(jì)院在西北、西南、華北地區(qū)所做的路堤填料試驗(yàn)和1975年海城地震區(qū)經(jīng)受7度和9度地震基本無震害的路堤填土試驗(yàn)資料中具有代表性的兩組土的物理力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù):1)γ=19 kN/m3,C=33 kPa,φ=16°;2)γ=19 kN/m3,C=21 kPa,φ=21°24′。

1.3 擬靜力分析的參數(shù)

擬靜力分析法中水平地震系數(shù)的選用如表1所示。

表1 水平地震系數(shù) Kn

1.4 分析方案

1)進(jìn)行以下幾種情況下的高路堤邊坡的穩(wěn)定性分析:a.采用擬靜力法計(jì)算邊坡穩(wěn)定;b.采用靜力有限元法分析計(jì)算邊坡穩(wěn)定;c.采用動(dòng)力有限元法分析計(jì)算邊坡穩(wěn)定。

2)擬靜力法計(jì)算邊坡穩(wěn)定分析、有限元分析在靜荷載作用下和地震荷載下的動(dòng)力反應(yīng)分析,比較安全系數(shù)降低的百分?jǐn)?shù)。

2 分析模型的建立

使用巖土邊坡穩(wěn)定分析軟件進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析。在邊坡穩(wěn)定中所采用的方法有極限平衡法和有限元法。極限平衡法包含Bishop法、Janbu法、Spencer法、Morgenstern-Price法、GLE 法等,有限元法在邊坡分析中采用時(shí)程分析法。它們都是通過定義滑動(dòng)面的圓心及半徑來搜索最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面。

2.1 擬靜力分析模型

建立如圖1所示高填土路堤的擬靜力分析模型,分無地震、7度、8度、9度地震時(shí)分別建立模型。在擬靜力分析中地震的影響以地震影響系數(shù)的形式輸入。不同震級下,模型相同,只是地震影響系數(shù)不同,分別對應(yīng)為0,0.025,0.5,1。

2.2 有限元靜力分析模型

有限元分析需要建立八個(gè)模型,先建立如圖2所示的有限元邊坡地震反應(yīng)分析模型,然后把分析數(shù)據(jù)導(dǎo)入如圖3所示的有限元邊坡穩(wěn)定分析模型中進(jìn)行穩(wěn)定性分析。有限元靜力(動(dòng)力)分析中,地震對邊坡的影響是以地震波的形式輸入的。

2.3 有限元?jiǎng)恿Ψ治瞿Ｐ?/h3>

有限元?jiǎng)恿Ψ治瞿Ｐ团c靜力分析模型形式相同(見圖2,圖3),只是內(nèi)部參數(shù)不同。有限元?jiǎng)恿Ψ治霾捎脮r(shí)程分析法,分析在地震作用時(shí)間內(nèi),間隔0.02 s時(shí)的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù),然后找出地震作用時(shí)間內(nèi)最小的安全系數(shù)。

3 計(jì)算結(jié)果分析

1)采用簡化方法計(jì)算出的安全系數(shù)和安全系數(shù)降低程度與公路工程抗震規(guī)范值基本接近,采用有限元方法計(jì)算出的安全系數(shù)與安全系數(shù)的降低程度較規(guī)范偏低。2)采用簡化方法時(shí),考慮地震時(shí)的安全系數(shù)降低程度與路堤高度基本無關(guān)。3)按等效線性化考慮非線性反應(yīng)的有限元方法時(shí),隨路堤高度的增加,考慮地震時(shí)的安全系數(shù)降低程度減小。4)按等效線性化考慮非線性反應(yīng)的有限元方法時(shí),高路堤的非線性反應(yīng)特征不明顯。5)簡化方法和有限元法的結(jié)果均表明,不同的路面寬度對安全系數(shù)的影響不大。6)簡化方法和有限元法的結(jié)果均表明,不同的土體參數(shù)對地震時(shí)的安全系數(shù)的降低程度的影響不大。7)簡化方法和有限元法的結(jié)果均表明,按現(xiàn)有工程習(xí)慣的分臺和坡度設(shè)置,對40 m以上的路堤,安全系數(shù)偏低。

[1]劉立平.地震邊坡穩(wěn)定分析方法綜述[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào),2003(5):67-68.

[2]Firat.S.邊坡穩(wěn)定公式分析和應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵性評估[Z].PH.D.Thesis.Glamorgan大學(xué)U.K,1998.

[3]Arai.K,Tagyo.K.在邊坡穩(wěn)定分析中給定最小安全系數(shù)的非圓弧滑動(dòng)面的決定[J].巖土與地基,2003,25(1):43-51.

[4]Zienkiewicz.O.C.有限元法[M].第3版.Mcgraw-Hill倫敦,2001.

[5]Whitman,R.M,Bailey.W.A.邊坡穩(wěn)定分析中的計(jì)算機(jī)應(yīng)用[J].巖土力學(xué)與地基基礎(chǔ),2003,93(4):475-498.