高填方浸水路堤地震動穩定性及變形特性分析

姚洪錫

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

高填方浸水路堤地震動穩定性及變形特性分析

姚洪錫

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

利用GeoStudio軟件系列建立了一個高填方浸水路堤二維動力耦合數值分析模型，分析了地震作用下路堤的變形性狀和穩定性變化規律，以及三峽庫區水位對路堤變形性狀和穩定性的影響。結果表明，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面，穩定系數也急劇下降，且路堤的地震動最小穩定系數隨著庫區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生部位具有明顯特征規律，且隨著庫區水位的升高而不斷增加。

高填方浸水路堤； 地震動； 穩定性； 變形特性

地震是觸發路基變形和邊坡失穩的重要原因之一。我國特殊的地理地質條件不可避免地帶來了大量和地震作用有關的路基邊坡問題[1]。隨著國家“西部大開發”戰略的實施和國民經濟的持續發展，相當多的山區鐵路客運專線將建在西部強震區，路堤的地震動穩定性問題日趨突出，尤其是填方高度達到40m以上時穩定系數偏低[2]。路堤邊坡穩定系數與填料的抗剪強度指標及密度、地下水位和地震參數等密切相關。三峽水庫蓄水后，長江中上游的水位大幅度地升高，而沿著長江及其支流岸坡修建的鐵路和公路大多高程相對較低，這些路堤或半填半挖路基的一部分位于庫區蓄水位以下，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作用下會進一步影響路堤的穩定性和變形性狀，地震導致路堤失穩引發的地質災害非常嚴重，尤其是高填方路堤，所以高填方浸水路堤在地震動作用下的穩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力分析問題，已經成功地應用于巖土邊坡穩定性及地震動力響應分析等諸多領域[3-7]。為了研究高填方浸水路堤的地震動變形性狀和地震動穩定性變化過程，本文利用GeoStudio軟件系列中的各分析模塊建立了一個高填方浸水路堤的二維動力數值模擬模型，模擬了地震引起的地震動響應，對高填方浸水路堤的地震動變形性狀和邊坡穩定性以及三峽庫區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計算模型

1.1 計算模型與邊界條件

以處于三峽庫區內的某貨運站場高填方浸水路堤為原型(圖1)，建立一個二維動力數值分析模型，模型邊界采用長×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級鐵路特重型進行換算，換算土柱的截面為3.2m×3.7m，由于此填方位于站場部分，所以可將離散的換算土柱簡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力響應規律，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力耦合計算模型。對路堤這樣的半無限體進行模擬時，依賴于平面中有限區域離散化的數值方法，靜態分析時采用的固定邊界；動力分析時在底面采用固定邊界，四周采用部分自由場邊界。模型本構模型和屈服準則分別采用線彈性本構模型和Mohr-Coulomb強度準則。計算模型和邊界條件設置如圖2所示。

圖2 數值計算模型

1.2 巖土物理力學參數

表1 巖土體物理力學參數

1.3 數值計算工況

1.3.1 地震荷載

為模擬地震動參數對高填方浸水路堤的動力響應的影響，輸入ElCentro地震波(1940，N-S向)。相關研究表明持時對加速度峰值響應的影響不大，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，發生在第2.14s(圖3)。

圖3 El Centro地震波前10s的水平加速度時程曲線

1.3.2 三峽庫區水位

三峽大壩建成蓄水后，庫區水位會逐漸升高到設計水位，在百年洪水時水位會上升到峰水位。為研究高填方路堤在浸水作用下的地震動變形性狀和穩定性文中選取了常年蓄水位進行研究。為考察不同水位下路堤的地震動響應特性，本文又選取了3個特征水位進行計算比較分析，如表2所示。

表2 三峽庫區特征水位

2 常年蓄水位下高填方浸水路堤

2.1 地震動穩定性分析

地震荷載作用下高填方浸水路堤穩定性隨時間的變化曲線如圖4所示，由圖可知地震動最小安全系數為1.027，發生于第4.48s。

圖4 蓄水位下地震動穩定系數時程曲線

由于動剪應力隨震動時間而不同，坡體的動力抗滑穩定性安全系數也是時間的函數。在動荷載荷載作用下，邊坡在瞬間進入失穩狀態。圖5是地震荷載作用下高填方浸水路堤最危險滑動面形狀與位置，由圖可知最危險滑面穿過了人工填土、填料與地基交界面和片石壩。

圖5 蓄水位下最危險滑面形狀與位置

高填方路堤在上層軟弱下層相對堅硬的地基上的進行填筑，在地震慣性力逐漸增大的過程中，地震慣性力產生的破壞效應越來越嚴重，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面，穩定系數也急劇下降，當降低到一定程度就會失穩破壞。在地震波慣性力的作用下，當碰到交界面時，交界面是強度突變的地方，容易產生應力應變集中，滑裂面容易在交界面產生。

2.2 地震動變形分析

最不利時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180.99mm。最不利時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

由于地震產生的水平慣性力反復作用，填筑體體結構被破壞，巖土體結構間聯結力與聯結數量減少，填筑體的剪切模量在動應力的作用下減小，導致抗剪強度變小，坡體產生了剪切變形。由圖6可知，地震荷載作用下，在最不利時刻此高填方浸水路堤的水平位移值發生部位具有明顯特征規律。最大水平位移出現于路肩附近，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在路堤中部。

江水入滲導致填筑體內孔隙水壓力的上升，改變了邊坡體應力狀態，降低了填筑體內部的有效應力。由圖7可知，地震荷載作用下，在最不利時刻此高填方浸水路堤的豎向沉降值發生部位具有明顯特征規律。最大水平位移出現于路基面路肩和路堤邊坡中心附近，隨著路堤深度的增加，豎向沉降逐漸減小；在路基面中心出現向上的位移，這與此時刻的地震動強度有關。

3 水位變化對高填方浸水路堤的影響

3.1 水位變化對地震動穩定性的影響

三峽庫區水位位于枯水位、正常蓄水位和百年峰水位時的地震動最小穩定系數如圖8所示。

圖8 地震動最小穩定系數隨水位的變化曲線

由圖8可知，隨著庫區水位的升高，路堤的地震動最小穩定系數逐漸減小，庫區水位每升高10m，地震動最小安全系數就約減小0.06。

3.2 水位變化對地震動變形的影響

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

圖9 路堤路肩下各點水平位移分布

由圖9可知，最大水平位移值出現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，側向位移值逐漸增大，達到最大值后側向位移值又會急劇減小。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 路基面橫向各點豎向沉降分布

由圖10可知，路基面最大豎向沉降出現在路基面中心兩側，由左至右，豎向沉降值出現兩個峰值，在接近靠山側時又會急劇減小。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面，路基邊坡穩定系數也急劇下降。

(2)隨著庫區水位的升高，路堤人工填土浸入水中的體積增多，從而使水對路堤地震動穩定系數的影響逐漸增強，路堤的地震動最小穩定系數逐漸減小。

(3)最大水平位移值出現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，達到最大值后又急劇減小，且路堤的水平位移隨著庫區水位的升高而增大。

(4)路基面最大豎向沉降出現在路基面中心兩側，豎向沉降隨著高程的增加而增加；在路基面上，豎向沉降值出現兩個峰值，在接近靠山側時又會急劇減??；靠路肩側的最大豎向沉降值隨著水位的升高而增大，靠山側的最大豎向沉降值則呈減小趨勢。

[1] 徐光興, 姚令侃, 李朝紅, 等. 邊坡地震動力響應規律及地震動參數影響研究[J]. 巖土工程學報, 2008, 30(6): 918-923

[2] 阮永芬, 潘文, 費維水, 等. 高填土路堤邊坡地震穩定性靜動力法比較分析[J]. 公路交通科技, 2006, 23(4): 41-45

[3] 吳永鋒, 石林. 三峽工程庫區公路復建工程主要地質病害及防治對策[J]. 中國地質大學學報, 2001, 26(4): 402-405

[4] 李玉起, 黃志全, 王鳳群.GeoStudio軟件在堤防邊坡穩定計算中的應用[J]. 東北水利水電, 2007, 25(2): 3-5

[5] 鄭濤, 張玉燈, 毛新生. 基于Geo-Slope軟件的土質邊坡穩定性分析 [J]. 水利與建筑工程學報, 2008, 6(1): 6-8

[6] 倪梅三, 華躍, 曾學敏. 基于Geostudio的某土石壩穩定性流固耦合分析[J]. 礦業快報, 2008, (2): 23-25

[7] 侯偉, 仵彥卿, 何立志. 基于GEO-SLOPE分析高水頭作用下水庫對隧道的滲流影響[J]. 西安理工大學學報, 2006, 22(2): 171-174

[8] 李云安, 葛修潤, 糜崇蓉, 等. 巖-土-混凝土破壞準則及其強度參數估算[J]. 巖石力學與工程學報, 2004, 23(5): 770-776

姚洪錫(1983～)，男，工程師，主要從事鐵路設計與研究工作。

U213.1+57

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[定稿日期]2015-03-17