地震作用下棄渣場邊坡穩定性分析

張 鵬

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,陜西 西安 710043)

0 引言

隨著現代社會的高速發展,我國交通版圖不斷擴大,山嶺地區道路工程日益增多,伴隨著隧道工程的數量也越來越多。在隧道施工大規模建設的同時,產生了大量的隧道棄渣,隧道棄渣場作為隧道工程的重要組成部分,一般作為滿足隧道工程建設的取土與棄土需求以及堆放剝離廢巖土石而存在。隧道棄渣結構松散,粒徑分布不均勻,棄渣時一般不再進行二次碎渣,也不做壓實處理,處于欠固結狀態。由于其自身和外部環境的作用,容易發生失穩、滑坡、泥石流等災害,因此,棄渣場邊坡的穩定性將直接影響到整個場地的安全。各研究者們對棄渣場穩定性進行了大量研究,洪振宇等[1]研究模擬降雨-地震耦合工況下棄渣場的穩定性,得出棄渣場抗剪強度和坡體抗拉強度均有所降低,且震后液化區域主要集中在第一級棄渣平臺。劉建偉等[2]研究得出新形成棄渣場土體內摩擦角φ隨著坡面由上而下逐漸增大,另外棄渣場坡面土體穩定性與飽和導水率和細粒物質含量有重要影響。楊培[3]研究得出棄渣場安全系數與重度為負相關,與黏聚力及內摩擦角為正相關,棄渣場最終優化坡面角不宜大于25°,臺階坡面角不宜大于34°。

為研究棄渣場內部的應力大小及分布、位移大小及分布規律,以某鐵路棄渣場為例,應用有限元強度折減法,通過有限元軟件對隧道棄渣場邊坡穩定性進行數值分析。同時采用非線性時程方法分析棄渣場在地震作用下有效應變、安全系數,將其結果作為棄渣場評價場地穩定性指標體系因子。又針對棄渣場地震液化進行分析,為棄渣場的安全評價積累經驗。

1 數值分析理論

依據GB 50011—2010建筑抗震設計規范,可將棄渣場邊坡的地震力等效為水平靜力,作用于棄渣滑體、單元重心處、指向棄渣場的坡外(滑動方向),地震力可按下面公式計算:

Fc=μw×G;Fci=μw×Gi。

其中,Fc,Fci分別為棄渣滑體、第i單元寬度的地震力,kN/m;G,Gi分別為棄渣滑體、第i單元寬度的自重(含坡頂建(構)筑物作用),kN/m;μw為邊坡綜合水平地震系數,通過歸屬地區基本烈度確定綜合水平地震系統,如表1所示。結合東達渣場地震參數,該渣場設計為Ⅱ類場隧道棄渣場,地震基本烈度為7度,設計地震峰值加速度為0.10g,根據表1可知綜合水平地震系數為0.025。

表1 水平地震系數

2 工程概況

東達棄渣場位于東達村口一沖溝處,地形狹窄,地勢起伏較大。渣場位于線路右側8 500 m,附近交通條件較差。渣場占地19.93 ha,棄渣前應先將渣場處表層熟土厚50 cm集中臨時堆放,待渣場棄渣完成后,渣頂整平,將原覆土恢復至渣頂,進行綠化。東達棄渣場平面布置圖如圖1所示。

3 計算模型與參數

依據東達渣場來源于地勘報告的詳細資料數據及實驗結果。根據現場實際地形圖取棄渣場一部分截面利用有限元軟件MIDAS GTS NX進行建模,共有18個棄渣臺階,模型長582 m,高104 m,模型左右兩側施加自由場邊界,底部施加固定約束并約束住自由場邊界底部節點,以消除地震波反射,如圖2所示。

為了讓模型盡量地接近實際情況,將模型分為棄渣層、塊石土層、細角礫石層、花崗巖層、攔擋墻,且做適當簡化,劃分網格采用混合網格,對棄渣場及攔渣墻進行網格加密,共劃分為32 310個節點數,32 094個單元。棄渣層、塊石土、細角礫石、花崗巖采用摩爾-庫侖本構模型,攔渣墻采用彈性本構。數值建模采用的物理力學參數見表2。

本次分析的土體本構模型采用Molar-Coulomb屈服準則進行相應模擬分析,其屈服函數為:

其中,I1為應力張量第一應力不變量,I1=σx+σy+σz;θσ為洛德角,-30°≤θσ≤30°;J2為應力偏張量的第二不變量。

而在動力荷載下,土體的彈性模量會有所提高,通過資料調研,查閱《我國部分核電廠核島區巖體動、靜模量研究》等相關資料,得到動、靜模量之間的關系,微風化巖體的動、靜模量之比分布在0.56～3.0之間,中風化巖體的動、靜模量之比在1.84～9.32之間。由一元線性回歸分析得出動、靜模量相互具有良好的直線相關關系。經過計算得出東達棄渣場地層材料的動彈性模量如表3所示。

表3 動彈性模量參數

4 擬靜力法

4.1 應力特征分析

棄渣場在地震條件下的最大主應力及最小主應力等值線圖如圖3,圖4所示。

當地震基本烈度為7度工況下東達渣場整體邊坡大部分處于受壓狀態,但是在渣體表面靠前緣一帶由于受堆渣地形地貌的影響局部出現拉應力區域,最大拉應力量值為0.32 MPa。表明渣場渣體表面存在較小的變形,相比較天然工況下最大拉應力有所降低,因此棄渣場邊坡整體穩定。

4.2 剪應變增量分析

渣場在地震條件下的剪切滑移破壞面及最大剪應力云圖如圖5,圖6所示。

根據強度折減法計算結果表明,此時渣場整體穩定系數是1.91,大于規定的1.35標準,故而整體渣場邊坡是處在穩定的水平。從棄渣場整個坡體表面上看,渣場在棄渣體與塊石土覆蓋層交界位置處剪應變增量比較大,為1.18,而在其他部位的剪應變增量相對較小,表明渣場在棄渣體與塊石土交界位置處產生局部變形,雖變形量較小,但與天然工況相比剪切應變有所增大。而最大剪應力集中分布區域同樣出現在棄渣體與塊石土覆蓋層交界位置,最大值為0.22 MPa,未發生剪切滑移破壞。

4.3 位移變形特征分析

在地震條件下,棄渣場邊坡總位移變形特征見圖7。

由位移云圖可知,在地震工況下,東達渣場邊坡總位移變形特征主要表現在渣體邊坡陡緩交界處變形較大,最大值32.9 cm,而其他區域的變形隨之減小,主要發生在棄渣體與塊石土交界處,相對天然條件下的變形量有所增大,另經計算,在地震條件下,渣場對應著的整體穩定系數情況是1.91,大于規范要求的1.15,因此,說明東達渣場在地震條件下整體是穩定的,但相對天然條件下穩定系數2.13有所降低,渣場穩定性有所降低,這是由于地震條件下對于棄渣場邊坡穩定性是不利的。

5 非線性時程分析

5.1 地震波的確定

結合本次研究的Ⅱ類場地隧道棄渣場地質特性,根據《建筑抗震設計規范》,對于Ⅱ類場地,在進行地震參數選取的時候設計特征周期應按0.35 s,0.40 s,0.45 s采用,本文采用設計特征周期0.40 s。棄渣場地震波時程荷載函數曲線如圖8所示。

5.2 地震作用下棄渣場應變場分析

選取4 s,8 s,12 s,16 s四個時間節點進行非線性時程分析,對于四個時間節點下的棄渣場應變場進行分析,有效應變變化趨勢見圖9。

通過棄渣場應變曲線可知,地震工況下,隨著時程的增大,棄渣場邊坡有效應變呈逐漸上升趨勢,在前12 s內棄渣場有效應變呈快速上升趨勢,8 s～12 s內變化速率最大,對棄渣場穩定性產生不利影響。在12 s以后,隨著地震波加速度的減小,有效應變變化速率也逐漸減小,此時棄渣場仍處于穩定未破壞狀態,但其穩定性有所降低。

除此之外,由于地震波加載時程的增加,在峰值加速度時刻的安全系數變化幅度比其他時刻加速度變化幅度大,在棄渣場快被破壞時,安全系數隨地震波加速度的起伏而起伏變化,但是通過觀察,安全系數變化幅度不大。隨著載入地震波時程的持續,東達棄渣場穩定性整體呈降低趨勢,當地震波加速度降低趨于0時,其邊坡穩定性系數也逐漸趨于定值2.26,大于規定的1.35標準,故而整體渣場邊坡是處在穩定的水平。

6 棄渣場地震液化分析

6.1 地震液化機理

地震液化是地震震害的主要形式之一,對于棄渣場穩定性來說會造成巨大的危害,其主要機理為:土體受到震動后趨于密實,導致土體中孔隙水壓力驟然上升,在周期性的地震作用下,孔隙水壓力逐漸積累,當抵消有效應力時使土粒處于懸浮狀態。當土粒完全失去抗剪強度而顯示出近于液體的特性。

6.2 東達渣場地震液化穩定性分析

東達棄渣場上覆土體粒徑較小,有發生地震液化的必要條件,同時通過提取渣體浸潤線計算有效覆蓋壓力判斷本渣場發生地震液化的可能性,對于本次設計研究的東達渣場地震液化穩定性分析[4],結合棄渣場地質狀況,對其影響主要為地震工況下,棄渣土以及粒徑較小的礫石土強度降低,呈現為稀泥漿狀,嚴重影響棄渣場穩定性[5]。本次設計地震液化模型見圖10。

6.3 發生地震液化判定

根據上述地震液化分析模型,確定棄渣場浸潤線最小埋深為5.35 m及對應飽和土體埋置深度為12.53 m,將各參數代入以下公式得:

σ=(Hs-h0)γ′+h0γs。

其中,σ為有效覆蓋壓力,kN/m2;Hs為飽和土體埋置深度,m;h0為棄渣場浸潤線深度,m;γ′為飽和土體浮容重,kN/m3;γs為飽和土體濕容重,kN/m3。

σ=(12.53-5.35)×0.87+5.35×1.85=0.93 kg/cm2。

根據計算結果可知,σ=0.93 kg/cm2,小于表4所查得的數據1.0 kg/cm2,故判定該棄渣場在地震烈度為7度時存在地震液化現象。

表4 渣土體液化界限值參考表

6.4 東達渣場防治地震液化措施

針對上述分析可知,東達渣場在一定條件下會發生地震液化現象,結合本次設計場地主要以中密、粒徑較小的松散的碎石土地質條件,主要提出以下防治措施[6]:

1)根據東達渣場地層性質,可以采用不會發生液化現象的非液化土代替容易液化的礫石土。

2)圍封:主要是采用地下連續墻或樁體將渣土場四周圍護起來,從而限制棄渣場渣土體液化時發生側移影響棄渣場穩定性。

3)通過密實土層的方法:主要的方法有直接震密法、擠密砂(碎石)樁法與振沖置換法。

4)灌漿法:主要包括壓密灌漿法、滲透灌漿法與高壓旋噴法。

5)深攪法:在地基中形成高強度低滲透性的柱或板,通過置換作用形成的復合地基提高了地基的強度及承載力。

7 結論

本文通過查閱資料、數據采集、建模分析幾個步驟,重點分析了地震作用對棄渣場邊坡穩定性的影響。將擬靜力法與非線性時程分析所得的穩定系數相結合,對地震作用下的棄渣場邊坡做出穩定性評價。主要的研究結論如下:

1)通過將地震作用下棄渣場的應力特征、剪應變增量以及位移變形特征的數值模擬結果與天然狀況下的合并分析,并以整體穩定系數為評判依據,推斷出東達棄渣場邊坡在當地的地震條件下處于穩定狀態。

2)采用非線性時程分析并結合東達棄渣場的具體地質情況,在動力參數與地震波確定后,對4 s,8 s,12 s,16 s四個時間節點下的棄渣場應變場進行分析,根據有效應變先增大后趨于平穩的趨勢以及地震波加速度變化幅度,判定出東達棄渣場處于穩定不破壞狀態。

3)針對地震作用下棄渣場容易出現的液化現象,從分析液化機理出發,再到建立棄渣場地震液化分析模型,最后從計算的角度確定棄渣場在地震烈度為7度時存在地震液化現象,對此結合東達棄渣場具體情況提出相應的地震液化防治措施。