高烈度地震區(qū)鐵路邊坡動(dòng)力穩(wěn)定性分析

佟海寧

我國(guó)是一個(gè)多山多地震的國(guó)家,隨著我國(guó)高速鐵路建設(shè)的飛躍發(fā)展,更多的高速鐵路將在山區(qū)修建,穿越強(qiáng)震區(qū)和破裂帶不可避免,要求對(duì)路基邊坡進(jìn)行抗震穩(wěn)定性驗(yàn)算并采取相應(yīng)的抗震措施。地震效應(yīng)對(duì)邊(滑)坡的影響是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力過程,而現(xiàn)行的GB 50111-2006鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中,邊(滑)坡的抗震設(shè)計(jì)仍采用基于極限平衡理論的擬靜力法,從學(xué)科趨勢(shì)來(lái)看,基于地震反應(yīng)分析的動(dòng)力設(shè)計(jì)理論是發(fā)展的方向,現(xiàn)行的規(guī)范與當(dāng)前動(dòng)力設(shè)計(jì)理念并不匹配,尚未被充分運(yùn)用到路基邊(滑)坡的抗震設(shè)計(jì)中,動(dòng)—靜力學(xué)兩種設(shè)計(jì)方法在相當(dāng)長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期內(nèi)會(huì)有一個(gè)協(xié)調(diào)過渡過程,仍處于需進(jìn)一步探究的階段。

強(qiáng)震帶給人們對(duì)諸多基礎(chǔ)科學(xué)問題的反思,尤其線路工程抗震措施的改進(jìn)已迫在眉睫。本文利用有限差分軟件FLAC-3D對(duì)準(zhǔn)備修建的青島—榮城城際鐵路沿線位于7度地震區(qū)的天然山坡體進(jìn)行了地震作用下穩(wěn)定性分析,并基于動(dòng)力分析理論對(duì)其地震作用下的破壞形式進(jìn)行了預(yù)測(cè)。分析結(jié)果總結(jié)了地震作用下山坡體三種不同程度的破壞形式,對(duì)實(shí)際工程具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 FLAC-3D基本原理

FLAC運(yùn)用了Wilkins[1]提出的“可導(dǎo)出任意形狀單元的差分分析法”,在該方法中,空間離散點(diǎn)處的控制方程組中每一個(gè)導(dǎo)數(shù)直接由含場(chǎng)變量(如應(yīng)力與位移)的代數(shù)表達(dá)式替換,這些變量沒有在單元內(nèi)部進(jìn)行定義。

FLAC所包含的一般計(jì)算過程如圖1所示,首先調(diào)用運(yùn)動(dòng)方程從應(yīng)力和外力導(dǎo)出新的速度和位移,然后,根據(jù)速度導(dǎo)出應(yīng)變速率,以及由應(yīng)變速率得出新的應(yīng)力。對(duì)于循環(huán)圈的每一周期,采用一個(gè)時(shí)步。值得注意的是,圖1中的每個(gè)方框根據(jù)已知值更新自身的網(wǎng)格變量,而這些已知值在方框內(nèi)操作時(shí)是保持恒定的。例如,下部的方框取一組已經(jīng)算出的速度值,對(duì)每個(gè)單元計(jì)算新的應(yīng)力。方框內(nèi)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系運(yùn)算時(shí)可以將速度值假設(shè)為定值,也就是說(shuō),最新計(jì)算的應(yīng)力并不會(huì)影響速度。由于所選時(shí)步很小,則信息在如此小的時(shí)間間隔里就不會(huì)從一個(gè)單元傳到另一個(gè)單元。由于每個(gè)循環(huán)圈占用一個(gè)小的時(shí)步,相鄰單元在計(jì)算過程中的確不能相互影響,那么關(guān)于速度恒定的假設(shè)就是合理的,當(dāng)然,經(jīng)過數(shù)輪循環(huán)后,擾動(dòng)是可以傳播多個(gè)單元的,正如擾動(dòng)的物理傳播過程一樣[2]。

由于不需要構(gòu)造總剛度矩陣,對(duì)于大變形模式來(lái)說(shuō),每一次循環(huán)都更新坐標(biāo),將位移增量累計(jì)到坐標(biāo)系中,因此,網(wǎng)格與其所代表的材料都發(fā)生移動(dòng)和變形。這種更新坐標(biāo)的方法,就是“拉格朗日方法”。本構(gòu)方程的每一步運(yùn)算都是小應(yīng)變的,但是多步以后等效于大應(yīng)變方程。

對(duì)于塑性分析來(lái)說(shuō),FLAC公式比有限元更為簡(jiǎn)單,因?yàn)樗⒉恍枰惴▽⒚恳粋€(gè)單元的應(yīng)力帶到屈服面,而且一步就可將塑性方程解出。同時(shí),FLAC還可以處理任意的本構(gòu)模型而不需要對(duì)求解運(yùn)算法則進(jìn)行調(diào)整。

2 青榮沿線山坡體地震穩(wěn)定性分析及抗震措施

2.1 工程概況

全線多為剝蝕殘丘及緩坡地貌,DK167+000～DK310+900區(qū)內(nèi)地震動(dòng)峰值加速度為0.10g(7度)。DK163+000～DK168+000區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造及斷裂構(gòu)造較為發(fā)育。主要斷裂構(gòu)造為桃村～陡山斷裂,斷裂帶行跡主要表現(xiàn)為北東向,與線路走向大致并行。斷裂構(gòu)造破碎帶一般寬約200 m～300 m,斷裂構(gòu)造破碎帶內(nèi)多為斷層角礫巖,受斷裂構(gòu)造影響,區(qū)內(nèi)地層巖性變化較大,巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎。本文以DK166+150線位附近山坡體為例進(jìn)行了地震穩(wěn)定性分析。

表1 巖土體材料物理力學(xué)參數(shù)取值范圍

2.2 動(dòng)荷載選取

本文動(dòng)荷載為50年超越概率63%,10%和2%的基巖水平加速度規(guī)準(zhǔn)目標(biāo)反應(yīng)譜(阻尼比5%),利用三角級(jí)數(shù)法人工合成加速度時(shí)程得到的三組不同量級(jí)地震波,模擬不同烈度工況。三種超越概率下人工合成波的基巖加速度峰值分別為0.065g,0.10g和0.253g,下文簡(jiǎn)稱為小震、中震、大震。

2.3 DK166+150山坡體地震穩(wěn)定性分析及抗震措施方案規(guī)劃

本文采用的巖土體材料物理力學(xué)參數(shù)取值參考范圍見表1,按照剪應(yīng)變貫通范圍、剪穿位置以及破壞坡體對(duì)線路主體工程的影響程度提煉出三種不同程度的地震破壞形式。破壞形式(一):剪應(yīng)變貫通范圍位于路基上邊坡局部坡體,剪切帶深度較淺,集中在坡體表層,屆時(shí)坍塌體可能仍停留在上邊坡,可一旦坍滑至鐵路就會(huì)影響線路主體工程;成災(zāi)模式(二):剪應(yīng)變貫穿范圍增大,剪穿位置已到達(dá)接近路基上邊坡坡腳處,坍塌體將直接影響線路主體工程;成災(zāi)模式(三):剪應(yīng)變貫穿范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,剪穿位置已位于路基下邊坡,線路主體工程可能被毀。其剪應(yīng)變?cè)隽?系指變形集中,表征滑體的貫通性)典型分布特征分別如圖2～圖4所示。

明確了成災(zāi)模式也即知道坡體發(fā)生破壞的范圍和部位,據(jù)此制定的抗震防治方案規(guī)劃如下:破壞形式(一):需在發(fā)生局部破壞坡體施加坡面加固工程;破壞形式(二)、破壞形式(三):需在地震作用下發(fā)生破壞坡體的剪出口位置設(shè)置抗滑支擋工程,這樣處治是在預(yù)測(cè)山坡體破壞發(fā)生位置的基礎(chǔ)上的,較規(guī)范中將抗滑支擋工程均設(shè)置在鐵路上邊坡坡腳處更合理、有效,很大程度提高了邊坡的抗震穩(wěn)定性。

3 結(jié)語(yǔ)

1)本文運(yùn)用動(dòng)力分析理論進(jìn)行青榮城際鐵路位于破碎帶及7度地震區(qū)的山坡體進(jìn)行了地震穩(wěn)定性分析,提煉出三種地震破壞形式。2)三種地震破壞形式為青榮沿線路基挖方邊坡工程的抗震加固措施方案規(guī)劃的制定提供了科學(xué)依據(jù),對(duì)工程具有重要現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。3)本文通過對(duì)地震山體破壞形式的研究,對(duì)鐵路路基邊(滑)坡工程的地震穩(wěn)定性分析具有廣泛的參考價(jià)值,具有重要的借鑒意義。

[1] Wilkins M L.Fundamental Methods in Hydrodynamics in Methods in Computational Physics.Alder et al.,Eds.New York:A-cademic Press,1964(3):211-263.

[2] 劉 波,[美]韓彥輝.FLAC原理、實(shí)例與應(yīng)用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.

[3] GB 50111-2006,鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] 匡雁晨.某高速公路邊坡穩(wěn)定性分析及治理方案[J].山西建筑,2009,35(10):275-276.