高路基边坡抗震稳定性分析

赵维霞 李洪福 李连海

0 引言

公路是山区最主要的交通运输手段。随着西部大开发的进行,将在西部山区修建越来越多的高等级公路。西部地区公路的工程地质条件非常复杂,地形地貌变化大,且地震活动频繁,地震烈度、频率都较高。公路工程属于带状结构物,一条路线少则十几公里,多则几百公里,甚至上千公里。而一些公路都不得不通过多地震区,进行高填土路基的施工,从十多米到上百米的高填土路基都是经常碰到的事情,所以有必要研究地震作用下高填土路基的边坡稳定性。

1 分析方案

1.1 分析方法

采用拟静力法和有限元法。

1.2 参数的选用

选用铁道部第一、二、三勘测设计院在西北、西南、华北地区所做的路堤填料试验和1975年海城地震区经受7度和9度地震基本无震害的路堤填土试验资料中具有代表性的两组土的物理力学试验数据:1)γ=19 kN/m3,C=33 kPa,φ=16°;2)γ=19 kN/m3,C=21 kPa,φ=21°24′。

1.3 拟静力分析的参数

拟静力分析法中水平地震系数的选用如表1所示。

表1 水平地震系数 Kn

1.4 分析方案

1)进行以下几种情况下的高路堤边坡的稳定性分析:a.采用拟静力法计算边坡稳定;b.采用静力有限元法分析计算边坡稳定;c.采用动力有限元法分析计算边坡稳定。

2)拟静力法计算边坡稳定分析、有限元分析在静荷载作用下和地震荷载下的动力反应分析,比较安全系数降低的百分数。

2 分析模型的建立

使用岩土边坡稳定分析软件进行边坡稳定分析。在边坡稳定中所采用的方法有极限平衡法和有限元法。极限平衡法包含Bishop法、Janbu法、Spencer法、Morgenstern-Price法、GLE 法等,有限元法在边坡分析中采用时程分析法。它们都是通过定义滑动面的圆心及半径来搜索最危险的滑动面。

2.1 拟静力分析模型

建立如图1所示高填土路堤的拟静力分析模型,分无地震、7度、8度、9度地震时分别建立模型。在拟静力分析中地震的影响以地震影响系数的形式输入。不同震级下,模型相同,只是地震影响系数不同,分别对应为0,0.025,0.5,1。

2.2 有限元静力分析模型

有限元分析需要建立八个模型,先建立如图2所示的有限元边坡地震反应分析模型,然后把分析数据导入如图3所示的有限元边坡稳定分析模型中进行稳定性分析。有限元静力(动力)分析中,地震对边坡的影响是以地震波的形式输入的。

2.3 有限元动力分析模型

有限元动力分析模型与静力分析模型形式相同(见图2,图3),只是内部参数不同。有限元动力分析采用时程分析法,分析在地震作用时间内,间隔0.02 s时的边坡稳定安全系数,然后找出地震作用时间内最小的安全系数。

3 计算结果分析

1)采用简化方法计算出的安全系数和安全系数降低程度与公路工程抗震规范值基本接近,采用有限元方法计算出的安全系数与安全系数的降低程度较规范偏低。2)采用简化方法时,考虑地震时的安全系数降低程度与路堤高度基本无关。3)按等效线性化考虑非线性反应的有限元方法时,随路堤高度的增加,考虑地震时的安全系数降低程度减小。4)按等效线性化考虑非线性反应的有限元方法时,高路堤的非线性反应特征不明显。5)简化方法和有限元法的结果均表明,不同的路面宽度对安全系数的影响不大。6)简化方法和有限元法的结果均表明,不同的土体参数对地震时的安全系数的降低程度的影响不大。7)简化方法和有限元法的结果均表明,按现有工程习惯的分台和坡度设置,对40 m以上的路堤,安全系数偏低。

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