車激震動(dòng)作用下的堤防穩(wěn)定性分析

劉忠富 馬棟和 王 銳

(1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021; 2.水利部寒區(qū)工程技術(shù)研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130051)

1 概述

高速行駛的列車會(huì)通過(guò)輪—軌系統(tǒng)產(chǎn)生一定的震動(dòng)，并將震動(dòng)通過(guò)軌道、橋墩等傳至地基土層中，該震動(dòng)會(huì)引起一定范圍內(nèi)地基土層的下沉或隆起變形，嚴(yán)重則產(chǎn)生場(chǎng)地的粉細(xì)砂液化現(xiàn)象，如不加以分析及處理，將威脅鐵路的正常運(yùn)行。某改建的松花江公鐵兩用橋，北岸堤防兩側(cè)橋墩承臺(tái)及樁基均距離堤腳較近，且該范圍內(nèi)堤防地基土層存在8 m左右的飽和粉—細(xì)砂層，粉細(xì)砂層在震動(dòng)作用下很容易發(fā)生液化反應(yīng)而降低有效應(yīng)力。因此，需對(duì)該公鐵兩用橋行駛過(guò)程中，由輪—軌系統(tǒng)產(chǎn)生的震動(dòng)作用進(jìn)行分析研究，并明確堤基砂土的變形規(guī)律，對(duì)保證該鐵路橋安全運(yùn)行具有重要的意義。

2 地質(zhì)年代判別液化特征

3 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判定液化

國(guó)內(nèi)外資料顯示，采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法進(jìn)行復(fù)判是比較成熟的。依據(jù)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)程規(guī)范，采用式(1)進(jìn)行判別：

(1)

其中，Ncr為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；N0為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值；ds為飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度,m；dw為地下水埋深,m；pc為粘粒含量百分率，當(dāng)小于3或?yàn)樯巴習(xí)r，應(yīng)采用3；β為調(diào)整系數(shù)分別取0.80,0.95,1.05。

研究區(qū)設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g，相當(dāng)于地震基本烈度為6度，而規(guī)范中給定的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值N0所對(duì)應(yīng)的最小設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1g(地震基本烈度7度)。偏于安全考慮，計(jì)算貫入錘擊數(shù)臨界值時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)基準(zhǔn)值選為7。據(jù)地質(zhì)調(diào)查與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)墩基各土層標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)，具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示，并計(jì)算各土層界面處標(biāo)準(zhǔn)貫入臨界值，如圖3所示。

4 動(dòng)力穩(wěn)定分析

進(jìn)行堤基震動(dòng)液化分析，采用等效線彈性模型(Hardin-Drnevich模型)。邊界范圍的選取與靜力分析階段一致。動(dòng)力分析時(shí)，模型足夠“大”，即邊界距離所研究區(qū)域較遠(yuǎn)時(shí)，兩端邊界可限制x方向位移，y方向自由。下端基巖邊界條件為x,y方向均為位移約束，初始超靜孔隙水壓力為0。

動(dòng)剪應(yīng)力大于抗液化剪應(yīng)力時(shí)就認(rèn)為土體發(fā)生液化，將計(jì)算所得的縱橫向震動(dòng)波譜導(dǎo)入動(dòng)態(tài)計(jì)算模型，將2根橋墩墩頂設(shè)置為加速度邊界，如圖4所示。

5 堤防穩(wěn)定性分析

堤防動(dòng)力穩(wěn)定分析采用SLOPE/W模塊。首先在QUAKE/W模塊中進(jìn)行建模，將已獲取的輪—軌系產(chǎn)生的震動(dòng)波形導(dǎo)入QUAKE/W，計(jì)算列車同行的震動(dòng)周期內(nèi)堤防的應(yīng)力應(yīng)變特征；將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入SLOPE/W，根據(jù)計(jì)算時(shí)步逐步搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面。邊坡穩(wěn)定計(jì)算方法采用摩根斯坦—普賴斯法，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面搜索時(shí)手動(dòng)指定滑動(dòng)面的剪入口與剪出口。計(jì)算結(jié)果如圖5,圖6所示。

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，模擬多樁支撐，樁基進(jìn)入基巖(32 m)，堤基土在高速列車的輪—軌系統(tǒng)產(chǎn)生的震動(dòng)作用下，堤防邊坡的安全系數(shù)出現(xiàn)了小幅度的下降，這是由于震動(dòng)作用使得堤防基飽和粉細(xì)砂層中的孔隙水壓力增加，有效應(yīng)力下降導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度指標(biāo)降低而產(chǎn)生。

6 結(jié)語(yǔ)

1)根據(jù)規(guī)范中地質(zhì)年代判別法及標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)進(jìn)行判定，堤基存在一定范圍的可液化土層。

2)SLOPE/W計(jì)算承臺(tái)多樁支撐，且樁基設(shè)計(jì)深度32 m(進(jìn)入基巖)，樁基進(jìn)入基巖(32 m)，堤基土在高速列車的輪—軌系統(tǒng)產(chǎn)生的震動(dòng)作用下，堤防邊坡的安全系數(shù)出現(xiàn)了小幅度的下降，這是由于震動(dòng)作用使得堤防基飽和粉細(xì)砂層中的孔隙水壓力增加，有效應(yīng)力下降導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度指標(biāo)降低而產(chǎn)生。

3)堤防在車激震動(dòng)影響下，土體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在規(guī)范規(guī)定的安全范圍內(nèi)。

參考文獻(xiàn):

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