楊澤 杜澤 陳正林

(中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院，云南昆明 650000)

0 引言

公路交通系統(tǒng)在日益繁華的人類社會中起到了不可替代的重要作用，是經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和城市化基礎(chǔ)建設(shè)的主要載體之一，強(qiáng)地震作用會引起公路邊坡的失穩(wěn)破壞，對道路行車安全造成嚴(yán)重的威脅，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，尤其是在我國西南地震多發(fā)區(qū)，大地震和震后公路損毀災(zāi)情足以引起我們的重視［1，2］。對于公路交通系統(tǒng)的地震動研究，目前較多的研究集中在橋梁和隧道的地震動穩(wěn)定性、振動變形監(jiān)測及結(jié)構(gòu)抗震隔震優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面［3-5］。而專門針對路基邊坡開挖及地震動情況下的穩(wěn)定性研究還較少。因此，對西南地震多發(fā)區(qū)公路邊坡的開挖及地震動穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析具有充分的必要性和重要的現(xiàn)實(shí)意義。金培杰、陳鵬等［6，7］研究了順層巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)破壞機(jī)制與穩(wěn)定性，提出了邊坡失穩(wěn)的控制因素。張季如［8］利用數(shù)值模擬的方法對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了評價(jià)與分析，得出了較好的結(jié)論。

本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上以蒙自現(xiàn)代林業(yè)產(chǎn)業(yè)園1 號道路邊坡工程為例，利用強(qiáng)度折減法的思想以FLAC3D數(shù)值模擬為平臺，結(jié)合實(shí)際地質(zhì)特征，進(jìn)行道路邊坡的動力穩(wěn)定性模擬計(jì)算分析，為開挖和地震作用下的邊坡失穩(wěn)狀態(tài)及成因提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

蒙自現(xiàn)代林業(yè)產(chǎn)業(yè)園1 號道路新建項(xiàng)目區(qū)位于蒙自盆地南部偏西，處于區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜的區(qū)域。路線走向總體自東北向西南延伸，展線地帶地貌上處于蒙自斷陷盆地東南部邊緣的低丘緩坡地帶。道路起點(diǎn)處高程較低，路線大致沿地形等高線，由東北向西南展線，道路沿線地勢與設(shè)計(jì)縱斷面基本一致，西北低，東南高。擬建道路沿線現(xiàn)多為農(nóng)作物耕地，地形坡度3°～5°，局部地段地形坡度達(dá)15°(位于K1 +340～K2 +060 地段)?？辈鞎r(shí)各勘探點(diǎn)的地面標(biāo)高介于1 386.68 m～1 531.34 m 之間，相對高差為144.66 m。路線附近有公路通過，交通條件一般。項(xiàng)目區(qū)內(nèi)無斷裂通過，距離相對較近的斷裂為大屯—沙翁壓性或壓扭性斷裂(F3)和黑龍?zhí)丁u街壓性或壓扭性斷裂(F2)，為非全新統(tǒng)活動斷裂。大屯—沙翁壓性或壓扭性斷裂(F3)位于評估區(qū)西側(cè)5 km，黑龍?zhí)丁u街壓性或壓扭性斷裂(F2)位于評估區(qū)東側(cè)約4 km 處。

蒙自現(xiàn)代林業(yè)產(chǎn)業(yè)園1 號道路新建道路K0 +000～K3 +000，全長3 000 m。本工程主要以填方路基、挖方路基形式通過，道路中線最大挖高約28.86 m;道路中線最大填高約17.10 m。路段區(qū)上覆第四系人工堆積耕土(Qpd)層及素填土(Qml)層、第四系沖洪積(Qal+pl)粘土層及粉質(zhì)粘土層，基底為三疊系中統(tǒng)個(gè)舊組(T2g)石灰?guī)r。根據(jù)相關(guān)抗震規(guī)范，云南蒙自地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，所屬設(shè)計(jì)地震分組為第三組。

2 路基邊坡穩(wěn)定性模擬計(jì)算分析

綜合考慮地質(zhì)情況、鉆孔分布情況及邊界效應(yīng)等因素的影響，選取K0 +135 處典型斷面進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并沿邊坡自下而上布置7 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，如圖1 所示，邊坡巖土力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 K0+135 處斷面圖

表1 邊坡巖土力學(xué)參數(shù)

依據(jù)K0 +135 處剖面圖，利用ANSYS 軟件優(yōu)良的前處理功能對研究工程地質(zhì)體進(jìn)行建模，導(dǎo)入FLAC3D中計(jì)算模型，并運(yùn)用強(qiáng)度折減法對開挖前后進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算，得出開挖前安全系數(shù)為1.35，開挖后安全系數(shù)為1.16，比較開挖前后重力方向位移云圖，邊坡開挖后路基底部出現(xiàn)較大應(yīng)變位移(如圖2，圖3 所示)，不利于道路安全施工和正常車輛行駛。

圖2 開挖前邊坡重力方向位移圖

圖3 開挖后邊坡重力方向位移圖

對開挖后的路基邊坡進(jìn)行動力穩(wěn)定性計(jì)算。參照大崎順彥［9］的方法選取了前15 s EI Centro(E-W)波的地震加速度波譜，并將峰值調(diào)整到設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.1g，如圖4 所示。

圖4 EI Centro 波加速度時(shí)程曲線

通過布置監(jiān)測點(diǎn)對道路邊坡關(guān)鍵部位進(jìn)行動力反應(yīng)監(jiān)測，計(jì)算出加速度放大系數(shù)分布(如圖5 所示)。

圖5 加速度放大系數(shù)分布圖

其中，PGAi為某監(jiān)測點(diǎn)的加速度放大系數(shù);αiΔt為該點(diǎn)在一定時(shí)間內(nèi)的加速度峰值;αmax為輸入地震波加速度峰值。

由圖5 可知，加速度放大系數(shù)隨高程的升高而加大，在邊坡開挖處，坡頂(監(jiān)測點(diǎn)2 和5 處)明顯放大，由于尺寸效應(yīng)，路基底部(監(jiān)測點(diǎn)3 和4 處)放大效應(yīng)不明顯，在實(shí)際工程中應(yīng)采取必要的防護(hù)措施，建議在開挖邊坡的中部以及上部分級放坡，并鋪設(shè)點(diǎn)錨加固。

3 結(jié)語

通過利用極限平衡法，對蒙自現(xiàn)代林業(yè)產(chǎn)業(yè)園1 號道路新建道路高危路段邊坡進(jìn)行了靜力、開挖以及地震荷載作用下的數(shù)值模擬計(jì)算，分析了邊坡在不同工況下的位移、應(yīng)力特性和安全系數(shù)等，以及動力荷載作用下不同關(guān)鍵部位的加速度放大系數(shù)PGA和地震動時(shí)程響應(yīng)規(guī)律。計(jì)算表明:路基邊坡開挖對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)有一定影響，使邊坡穩(wěn)定性整體下降;地震動加速度放大系數(shù)在總體上有隨著高程的增加而變大的響應(yīng)規(guī)律;開挖邊坡的中上部地震動反應(yīng)較強(qiáng)烈，應(yīng)在路基邊坡防護(hù)中給予足夠重視，采取得當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施。分析結(jié)果對于蒙自現(xiàn)代林業(yè)產(chǎn)業(yè)園1 號道路的日常的安全運(yùn)行有重要意義，建議采取相對應(yīng)的措施，可在開挖邊坡左岸鋪設(shè)錨桿框格梁、菱形方格網(wǎng)護(hù)坡、SNS 主動防護(hù)網(wǎng)等來提高邊坡的靜力和動力抗滑穩(wěn)定性。

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