地震作用下弃渣场边坡稳定性分析

张 鹏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西 西安 710043)

0 引言

随着现代社会的高速发展,我国交通版图不断扩大,山岭地区道路工程日益增多,伴随着隧道工程的数量也越来越多。在隧道施工大规模建设的同时,产生了大量的隧道弃渣,隧道弃渣场作为隧道工程的重要组成部分,一般作为满足隧道工程建设的取土与弃土需求以及堆放剥离废岩土石而存在。隧道弃渣结构松散,粒径分布不均匀,弃渣时一般不再进行二次碎渣,也不做压实处理,处于欠固结状态。由于其自身和外部环境的作用,容易发生失稳、滑坡、泥石流等灾害,因此,弃渣场边坡的稳定性将直接影响到整个场地的安全。各研究者们对弃渣场稳定性进行了大量研究,洪振宇等[1]研究模拟降雨-地震耦合工况下弃渣场的稳定性,得出弃渣场抗剪强度和坡体抗拉强度均有所降低,且震后液化区域主要集中在第一级弃渣平台。刘建伟等[2]研究得出新形成弃渣场土体内摩擦角φ随着坡面由上而下逐渐增大,另外弃渣场坡面土体稳定性与饱和导水率和细粒物质含量有重要影响。杨培[3]研究得出弃渣场安全系数与重度为负相关,与黏聚力及内摩擦角为正相关,弃渣场最终优化坡面角不宜大于25°,台阶坡面角不宜大于34°。

为研究弃渣场内部的应力大小及分布、位移大小及分布规律,以某铁路弃渣场为例,应用有限元强度折减法,通过有限元软件对隧道弃渣场边坡稳定性进行数值分析。同时采用非线性时程方法分析弃渣场在地震作用下有效应变、安全系数,将其结果作为弃渣场评价场地稳定性指标体系因子。又针对弃渣场地震液化进行分析,为弃渣场的安全评价积累经验。

1 数值分析理论

依据GB 50011—2010建筑抗震设计规范,可将弃渣场边坡的地震力等效为水平静力,作用于弃渣滑体、单元重心处、指向弃渣场的坡外(滑动方向),地震力可按下面公式计算:

Fc=μw×G;Fci=μw×Gi。

其中,Fc,Fci分别为弃渣滑体、第i单元宽度的地震力,kN/m;G,Gi分别为弃渣滑体、第i单元宽度的自重(含坡顶建(构)筑物作用),kN/m;μw为边坡综合水平地震系数,通过归属地区基本烈度确定综合水平地震系统,如表1所示。结合东达渣场地震参数,该渣场设计为Ⅱ类场隧道弃渣场,地震基本烈度为7度,设计地震峰值加速度为0.10g,根据表1可知综合水平地震系数为0.025。

表1 水平地震系数

2 工程概况

东达弃渣场位于东达村口一冲沟处,地形狭窄,地势起伏较大。渣场位于线路右侧8 500 m,附近交通条件较差。渣场占地19.93 ha,弃渣前应先将渣场处表层熟土厚50 cm集中临时堆放,待渣场弃渣完成后,渣顶整平,将原覆土恢复至渣顶,进行绿化。东达弃渣场平面布置图如图1所示。

3 计算模型与参数

依据东达渣场来源于地勘报告的详细资料数据及实验结果。根据现场实际地形图取弃渣场一部分截面利用有限元软件MIDAS GTS NX进行建模,共有18个弃渣台阶,模型长582 m,高104 m,模型左右两侧施加自由场边界,底部施加固定约束并约束住自由场边界底部节点,以消除地震波反射,如图2所示。

为了让模型尽量地接近实际情况,将模型分为弃渣层、块石土层、细角砾石层、花岗岩层、拦挡墙,且做适当简化,划分网格采用混合网格,对弃渣场及拦渣墙进行网格加密,共划分为32 310个节点数,32 094个单元。弃渣层、块石土、细角砾石、花岗岩采用摩尔-库仑本构模型,拦渣墙采用弹性本构。数值建模采用的物理力学参数见表2。

本次分析的土体本构模型采用Molar-Coulomb屈服准则进行相应模拟分析,其屈服函数为:

其中,I1为应力张量第一应力不变量,I1=σx+σy+σz;θσ为洛德角,-30°≤θσ≤30°;J2为应力偏张量的第二不变量。

而在动力荷载下,土体的弹性模量会有所提高,通过资料调研,查阅《我国部分核电厂核岛区岩体动、静模量研究》等相关资料,得到动、静模量之间的关系,微风化岩体的动、静模量之比分布在0.56～3.0之间,中风化岩体的动、静模量之比在1.84～9.32之间。由一元线性回归分析得出动、静模量相互具有良好的直线相关关系。经过计算得出东达弃渣场地层材料的动弹性模量如表3所示。

表3 动弹性模量参数

4 拟静力法

4.1 应力特征分析

弃渣场在地震条件下的最大主应力及最小主应力等值线图如图3,图4所示。

当地震基本烈度为7度工况下东达渣场整体边坡大部分处于受压状态,但是在渣体表面靠前缘一带由于受堆渣地形地貌的影响局部出现拉应力区域,最大拉应力量值为0.32 MPa。表明渣场渣体表面存在较小的变形,相比较天然工况下最大拉应力有所降低,因此弃渣场边坡整体稳定。

4.2 剪应变增量分析

渣场在地震条件下的剪切滑移破坏面及最大剪应力云图如图5,图6所示。

根据强度折减法计算结果表明,此时渣场整体稳定系数是1.91,大于规定的1.35标准,故而整体渣场边坡是处在稳定的水平。从弃渣场整个坡体表面上看,渣场在弃渣体与块石土覆盖层交界位置处剪应变增量比较大,为1.18,而在其他部位的剪应变增量相对较小,表明渣场在弃渣体与块石土交界位置处产生局部变形,虽变形量较小,但与天然工况相比剪切应变有所增大。而最大剪应力集中分布区域同样出现在弃渣体与块石土覆盖层交界位置,最大值为0.22 MPa,未发生剪切滑移破坏。

4.3 位移变形特征分析

在地震条件下,弃渣场边坡总位移变形特征见图7。

由位移云图可知,在地震工况下,东达渣场边坡总位移变形特征主要表现在渣体边坡陡缓交界处变形较大,最大值32.9 cm,而其他区域的变形随之减小,主要发生在弃渣体与块石土交界处,相对天然条件下的变形量有所增大,另经计算,在地震条件下,渣场对应着的整体稳定系数情况是1.91,大于规范要求的1.15,因此,说明东达渣场在地震条件下整体是稳定的,但相对天然条件下稳定系数2.13有所降低,渣场稳定性有所降低,这是由于地震条件下对于弃渣场边坡稳定性是不利的。

5 非线性时程分析

5.1 地震波的确定

结合本次研究的Ⅱ类场地隧道弃渣场地质特性,根据《建筑抗震设计规范》,对于Ⅱ类场地,在进行地震参数选取的时候设计特征周期应按0.35 s,0.40 s,0.45 s采用,本文采用设计特征周期0.40 s。弃渣场地震波时程荷载函数曲线如图8所示。

5.2 地震作用下弃渣场应变场分析

选取4 s,8 s,12 s,16 s四个时间节点进行非线性时程分析,对于四个时间节点下的弃渣场应变场进行分析,有效应变变化趋势见图9。

通过弃渣场应变曲线可知,地震工况下,随着时程的增大,弃渣场边坡有效应变呈逐渐上升趋势,在前12 s内弃渣场有效应变呈快速上升趋势,8 s～12 s内变化速率最大,对弃渣场稳定性产生不利影响。在12 s以后,随着地震波加速度的减小,有效应变变化速率也逐渐减小,此时弃渣场仍处于稳定未破坏状态,但其稳定性有所降低。

除此之外,由于地震波加载时程的增加,在峰值加速度时刻的安全系数变化幅度比其他时刻加速度变化幅度大,在弃渣场快被破坏时,安全系数随地震波加速度的起伏而起伏变化,但是通过观察,安全系数变化幅度不大。随着载入地震波时程的持续,东达弃渣场稳定性整体呈降低趋势,当地震波加速度降低趋于0时,其边坡稳定性系数也逐渐趋于定值2.26,大于规定的1.35标准,故而整体渣场边坡是处在稳定的水平。

6 弃渣场地震液化分析

6.1 地震液化机理

地震液化是地震震害的主要形式之一,对于弃渣场稳定性来说会造成巨大的危害,其主要机理为:土体受到震动后趋于密实,导致土体中孔隙水压力骤然上升,在周期性的地震作用下,孔隙水压力逐渐积累,当抵消有效应力时使土粒处于悬浮状态。当土粒完全失去抗剪强度而显示出近于液体的特性。

6.2 东达渣场地震液化稳定性分析

东达弃渣场上覆土体粒径较小,有发生地震液化的必要条件,同时通过提取渣体浸润线计算有效覆盖压力判断本渣场发生地震液化的可能性,对于本次设计研究的东达渣场地震液化稳定性分析[4],结合弃渣场地质状况,对其影响主要为地震工况下,弃渣土以及粒径较小的砾石土强度降低,呈现为稀泥浆状,严重影响弃渣场稳定性[5]。本次设计地震液化模型见图10。

6.3 发生地震液化判定

根据上述地震液化分析模型,确定弃渣场浸润线最小埋深为5.35 m及对应饱和土体埋置深度为12.53 m,将各参数代入以下公式得:

σ=(Hs-h0)γ′+h0γs。

其中,σ为有效覆盖压力,kN/m2;Hs为饱和土体埋置深度,m;h0为弃渣场浸润线深度,m;γ′为饱和土体浮容重,kN/m3;γs为饱和土体湿容重,kN/m3。

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

根据计算结果可知,σ=0.93 kg/cm2,小于表4所查得的数据1.0 kg/cm2,故判定该弃渣场在地震烈度为7度时存在地震液化现象。

表4 渣土体液化界限值参考表

6.4 东达渣场防治地震液化措施

针对上述分析可知,东达渣场在一定条件下会发生地震液化现象,结合本次设计场地主要以中密、粒径较小的松散的碎石土地质条件,主要提出以下防治措施[6]:

1)根据东达渣场地层性质,可以采用不会发生液化现象的非液化土代替容易液化的砾石土。

2)围封:主要是采用地下连续墙或桩体将渣土场四周围护起来,从而限制弃渣场渣土体液化时发生侧移影响弃渣场稳定性。

3)通过密实土层的方法:主要的方法有直接震密法、挤密砂(碎石)桩法与振冲置换法。

4)灌浆法:主要包括压密灌浆法、渗透灌浆法与高压旋喷法。

5)深搅法:在地基中形成高强度低渗透性的柱或板,通过置换作用形成的复合地基提高了地基的强度及承载力。

7 结论

本文通过查阅资料、数据采集、建模分析几个步骤,重点分析了地震作用对弃渣场边坡稳定性的影响。将拟静力法与非线性时程分析所得的稳定系数相结合,对地震作用下的弃渣场边坡做出稳定性评价。主要的研究结论如下:

1)通过将地震作用下弃渣场的应力特征、剪应变增量以及位移变形特征的数值模拟结果与天然状况下的合并分析,并以整体稳定系数为评判依据,推断出东达弃渣场边坡在当地的地震条件下处于稳定状态。

2)采用非线性时程分析并结合东达弃渣场的具体地质情况,在动力参数与地震波确定后,对4 s,8 s,12 s,16 s四个时间节点下的弃渣场应变场进行分析,根据有效应变先增大后趋于平稳的趋势以及地震波加速度变化幅度,判定出东达弃渣场处于稳定不破坏状态。

3)针对地震作用下弃渣场容易出现的液化现象,从分析液化机理出发,再到建立弃渣场地震液化分析模型,最后从计算的角度确定弃渣场在地震烈度为7度时存在地震液化现象,对此结合东达弃渣场具体情况提出相应的地震液化防治措施。