地震作用下土石混合排土場垮塌機(jī)理分析*

奚文彬，張志剛，劉家俊

(河北省高速公路延崇管理中心，河北 張家口市 075400)

0 引言

排土場是公路、鐵路等修建過程中產(chǎn)生的土、石等廢棄材料集中排放的場所。由于排土場中的廢棄材料沒有經(jīng)過充分固結(jié)作用，顆粒與顆粒之間連接較為松散，因此，在內(nèi)外動力作用下排土場極易發(fā)生諸如滑坡、垮塌等災(zāi)害。其中，地震以其迅發(fā)性、劇烈性對排土場穩(wěn)定性的影響極大，在地震動力作用下，排土場堆排的散體物質(zhì)極易產(chǎn)生橫縱向位移和坍塌，對環(huán)境保護(hù)和高速公路的安全運(yùn)營帶來極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，開展地震作用下排土場穩(wěn)定性及滑坡、垮塌的機(jī)理機(jī)制研究，具有十分重要的研究意義和工程應(yīng)用價值。本文采用現(xiàn)場調(diào)研、現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，基于極限平衡理論和離散元理論，從宏細(xì)觀角度針對地震作用下排土場邊坡的垮塌機(jī)理進(jìn)行研究。

對于排土場而言，其本質(zhì)上也是邊坡的一種，因此現(xiàn)今邊坡失穩(wěn)垮塌分析中的各種數(shù)值分析方法也同樣適用于排土場的垮塌分析。近年來，國內(nèi)外針對地震作用下邊坡失穩(wěn)特征分析的主要研究方法大體分為3 種：一種是基于擬動力法，從理論的角度計(jì)算邊坡在地震作用下的土壓力，從而得到邊坡的失穩(wěn)特征；另一種是根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡卣鹩涗洠?jì)算出設(shè)防的地震烈度，利用數(shù)值模擬軟件模擬地震動力響應(yīng)過程；最后一種方法是利用大型振動試驗(yàn)臺建立真實(shí)的邊坡模型，模擬振動過程。Choudhury[1]、Basha[2]等采用擬動力分析方法計(jì)算了地震作用下邊坡的土體壓力，證明了擬動力方法在分析地震作用下邊坡失穩(wěn)特征的有效性。王環(huán)玲等[3]研究了巖質(zhì)高邊坡三維模型的破壞形態(tài)及變化過程。姜彤等[4]將LURR 理論利用到了邊坡動力模型中，提出了新的適用于邊坡地震邊坡模型的分析方法。繆丹[5]以西南機(jī)場為研究對象，研究了在降雨及地震耦合情況下的高邊坡穩(wěn)定性變化特征。許強(qiáng)等[6]、黃潤秋等[7]利用振動臺研究了地震導(dǎo)致邊坡滑塌得到機(jī)制成因。王俊萍[8]利用GEO-STUDIO軟件和FLAC3D軟件研究了暴雨+地震條件下的排土場邊坡應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律。徐光興等[9]、李振生等[10]、王斌等[11]均利用大型振動臺模擬了邊坡在地震過程中的動力作用。馬恩帥等[12]借助GEOSTUDIO 軟件分析了地震烈度及水庫水位變化對邊坡的作用機(jī)理。黃治文[13]利用振動試驗(yàn)臺及FLAC3D軟件模擬分析了平整度不同的地形在地震作用下對邊坡的影響。劉毅[14]基于擋土墻的作用機(jī)理，考慮孔隙水壓力的作用，模擬了地震對邊坡作用的過程。

相較于傳統(tǒng)的自然邊坡，排土場邊坡是由大量廢石、廢渣堆積形成的，缺乏致密結(jié)構(gòu)排布，故而在分析排土場的垮塌機(jī)理或者失穩(wěn)特征時應(yīng)采用離散方法，若仍然采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法進(jìn)行求解，勢必會對分析結(jié)果帶來一定的影響。基于上述分析，本文采用顆粒流離散元分析方法對延崇高速排土場進(jìn)行模擬計(jì)算分析，探究其在地震作用下的垮塌機(jī)理。

1 模型參數(shù)

目前最為常用的顆粒流離散元軟件為PFC，其通過將模型中塞滿球形剛體，并控制各球形剛體之間以及球形剛體與墻實(shí)體單元的接觸力，通過模擬接觸之間的相互作用力，而近似模擬各剛體顆粒的運(yùn)動和力學(xué)特征，從而達(dá)到解決非連續(xù)變形的問題。

1.1 細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定

本文采用顆粒流離散元軟件PFC 進(jìn)行模擬分析，由于顆粒流離散元需要鍵入細(xì)觀參數(shù)，而采用大型直剪儀獲取的排土場的土石混合體物料的強(qiáng)度參數(shù)為宏觀物性參數(shù)，因此，需要將顆粒流離散元計(jì)算分析中的細(xì)觀參數(shù)（如顆粒剛度、顆粒之間黏結(jié)強(qiáng)度、顆粒與顆粒的摩擦系數(shù)、顆粒粒徑等）與大型直剪儀試驗(yàn)確定的宏觀力學(xué)參數(shù)（如內(nèi)摩擦角φ，變形模量E，剪切強(qiáng)度）進(jìn)行標(biāo)定。本文采用雙軸模型試驗(yàn)對參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，如圖1 所示。

圖1 雙軸模型試驗(yàn)

分別賦予顆粒相應(yīng)的細(xì)觀參數(shù)，并在模型兩側(cè)施加不同圍壓(本文采用100 kPa，150 kPa 和200 kPa)，得到典型不同摩擦系數(shù)下偏應(yīng)力－應(yīng)變曲線。由模擬結(jié)果可知，不同摩擦系數(shù)下土石混合料的切線彈性模量相同，顆粒間的強(qiáng)度由接觸黏結(jié)所決定，與摩擦系數(shù)無關(guān)；而當(dāng)顆粒與顆粒之間的接觸黏結(jié)被破壞后，峰值強(qiáng)度則明顯會隨摩擦系數(shù)的增加而增大。

通過試算，將每一組細(xì)觀參數(shù)與對應(yīng)不同圍壓得到的摩爾圓繪制出來，然后根據(jù)相應(yīng)的強(qiáng)度包線反算宏觀參數(shù)。通過與表1 的宏觀參數(shù)進(jìn)行比對，參考宏細(xì)觀參數(shù)定量關(guān)系式，得到排土場土石混合體物料的細(xì)觀參數(shù)，見表2。

表1 延崇高速桃韭梁排土場土石混合體力學(xué)參數(shù)

表2 延崇高速桃韭梁排土場土石混合體顆粒細(xì)觀參數(shù)

1.2 建模過程

采用顆粒流離散元建立排土場邊坡模型的過程包括：顆粒生成、確定邊界條件、設(shè)置模型初始條件、賦予材料屬性和接觸類型、施加力、解算等流程，圖2 為基于顆粒流離散元法的三維排土場建模過程。

圖2 顆粒流算法的計(jì)算流程

2 排土場工程實(shí)例

延崇高速桃韭梁排土場具有三級邊坡，如圖3所示。根據(jù)排土場的實(shí)際尺寸參數(shù)和樣式，基于顆粒流離散元法建立離散元數(shù)值計(jì)算模型，如圖4 所示。在模型建立過程中，顆粒通過自重作用自動填充在矩形區(qū)域中，然后根據(jù)桃韭梁排土場的形狀將多余顆粒刪除，得到顆粒流離散元排土場計(jì)算模型。

圖3 桃韭梁排土場邊坡

圖4 顆粒流形成的排土場邊坡模型

本文以地震工況為例，對該排土場的穩(wěn)定性展開分析，相應(yīng)的地震條件采用EL-Centro 地震波。圖5 為地震持續(xù)時間為26 s 的地震波圖像。

圖5 持續(xù)時間為26 s 的EL-Centro 地震波波形圖

3 模擬結(jié)果分析與討論

桃韭梁排土場邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形的位移云圖見圖6 至圖7，其中圖6 為水平方向(x方向)位移變化云圖，圖7 為豎直方向(z方向)位移變化云圖。地震的持續(xù)時間分別為2 s、13 s 和26 s。

從圖6 至圖7 可以看到，在地震作用下，排土場邊坡發(fā)生了嚴(yán)重的垮塌。當(dāng)?shù)卣鸬某掷m(xù)時間為2 s時，排土場頂部已經(jīng)出現(xiàn)了向下垮塌的趨勢，這是由于地震的持續(xù)震動，并且土石混合體之間結(jié)構(gòu)松散，使得排土場頂部出現(xiàn)垮塌的趨勢。隨著地震持續(xù)時間的增加，土石混合體在地震力的作用下發(fā)生重排列，排土場邊坡呈現(xiàn)出向四周垮塌的趨勢，并逐漸垮塌。因此，由圖6 至圖7 中的（c）、（d）圖可以看到，無論在水平方向還是在豎直方向，隨著地震時間的增加，排土場邊坡向四周出現(xiàn)失穩(wěn)垮塌。選取坡頂和一級臺階處的2 個特征點(diǎn)，繪制其在地震作用下豎向位移（z方向）的變化趨勢（見圖8）。從圖8 可以看到，在豎向地震作用下排土場被拋起，在反復(fù)的地震力作用下，坡頂處的垮塌更加嚴(yán)重，從而也證實(shí)了地震作用下排土場自坡頂向下四處垮塌的事實(shí)。

圖6 地震條件下排土場邊坡的位移云圖(x 方向)

圖7 地震條件下排土場邊坡的位移云圖(z 方向)

圖8 26 s 地震作用下特征點(diǎn)豎向位移變化趨勢

根據(jù)以上模擬結(jié)果，需要對排土場邊坡進(jìn)行防護(hù)，防止在地震中出現(xiàn)大規(guī)模的垮塌事故。對于排土場邊坡的防護(hù)，一般采用“截、排、擋”相結(jié)合的方法：一是盡量減少水進(jìn)入排土場中，盡可能降低水對土石混合體的擾動作用；二是在排土場四周建立擋土墻，從而防止排土場邊坡發(fā)生大規(guī)模的垮塌。

4 結(jié)論

以延崇高速桃韭梁排土場為算例，采用顆粒流離散元方法建立了地震下排土場邊坡的三維模型，并分析了其穩(wěn)定性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變形情況，得到的主要結(jié)論如下：

（1）采用顆粒流離散元方法進(jìn)行計(jì)算時，需要采用雙軸試驗(yàn)將宏觀參數(shù)轉(zhuǎn)化為細(xì)觀參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)顆粒流離散元計(jì)算中的細(xì)觀參數(shù)輸入；

（2）對地震條件下桃韭梁排土場邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，證實(shí)了排土場邊坡存在大范圍垮塌的風(fēng)險(xiǎn)，破壞模式主要為土石混合體頂部的垮塌以及各臺階排土場邊坡向四周的擴(kuò)散；

（3）雖然地震在該地區(qū)未必發(fā)生，但是對于排土場邊坡而言，由于顆粒與顆粒之間的相互作用力較弱，易受到地震力或其他振動力的影響，因此，對于排土場邊坡的防護(hù)工作仍然不能忽略。