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        基于FLAC3D的拉林鐵路沿線風(fēng)積沙液化特性研究

        2021-12-15 14:20:46薛春曉孔令偉

        崔 雍,薛春曉,李 舟,孔令偉

        (中鐵西北科學(xué)研究院有限公司, 蘭州 730030)

        川藏鐵路起于四川省成都市,經(jīng)雅安、康定,昌都、林芝和山南,終于西藏自治區(qū)拉薩市,線路總長約1 629 km。拉林鐵路是川藏鐵路的重要組成部分,線路起于拉薩火車站,沿拉薩河而下,經(jīng)貢嘎轉(zhuǎn)向東,經(jīng)山南、朗縣、米林,跨越雅魯藏布江到林芝站[1-2]。拉林鐵路2012年3月列入國家《十二五綜合交通運(yùn)輸體系規(guī)劃》的快速鐵路專欄,設(shè)計(jì)速度160 km/h,是國鐵Ⅰ級(jí)單線電氣化快速鐵路。全長約433 km,與拉日鐵路共線近33 km,新建里程近400 km。

        新建拉林鐵路位于青藏高原東南部,屬于岡底斯山與念青唐古拉山、喜馬拉雅山之間的藏南谷地,雅魯藏布江中游,海拔在2 800~3 700 m。山高谷深,氣候極端惡劣。面臨的主要工程地質(zhì)問題有:崩塌、滑坡、錯(cuò)落、泥石流、溜沙坡(又稱碎屑流或巖屑坡)、水毀、冰害、風(fēng)沙、高烈度地震與活動(dòng)斷裂、熱害、高地應(yīng)力(巖爆與大變形)等[3-7]。

        拉林鐵路沿線穿越多個(gè)地震帶,地震活動(dòng)強(qiáng)烈、大地震頻發(fā)。此外,拉林鐵路沿線風(fēng)沙地段廣泛分布,約占線路全長的10%以上,線路所經(jīng)地區(qū)地形復(fù)雜、高差大、風(fēng)向多變、山谷風(fēng)作用強(qiáng)烈,路基工程所面臨的高烈度區(qū)風(fēng)積沙液化問題特殊而復(fù)雜。國內(nèi)外學(xué)者雖然進(jìn)行了一些研究,但由于拉林鐵路部分區(qū)域地表被風(fēng)積沙覆蓋,且地下水位高、液化層顆粒比較細(xì)(如扎囊車站),沙土性質(zhì)完全不同于普通沙土,目前的研究成果只能起到一定的參考作用[8-15]。例如,陳文化等[16]對(duì)沙土液化產(chǎn)生的原因、影響因素和主要判別方法作了簡要的回顧,并對(duì)近年來的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了評(píng)述和對(duì)未來發(fā)展趨勢提出了一些看法;牛琪瑛等[17]利用FLAC軟件對(duì)水泥土樁加固的液化沙土地基建立模型并進(jìn)行地震響應(yīng)分析;呂西林等[18]應(yīng)用FLAC軟件對(duì)液化場地自由場體系的地震響應(yīng)進(jìn)行三維完全非線性分析,并與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比;郭英[19]基于有限差分軟件,建立了能合理反映不同密實(shí)度未加固和水泥土樁加固液化土模型地基,分析比較了同一密實(shí)度條件下加固與未加固地基孔隙水壓力、孔壓比、豎向位移、表面加速度等的變化;王余慶等[20]利用等價(jià)非線性有效應(yīng)力動(dòng)力分析二維有限元程序,對(duì)飽和沙層的液化特點(diǎn)及礫石排水樁與地面壓重的抗液化效果進(jìn)行了分析。綜上所述,基于FLAC3D技術(shù)開展川藏鐵路高烈度區(qū)風(fēng)積沙液化特性的研究具有重要的意義。

        1 模型簡介

        1.1 模型尺寸和計(jì)算參數(shù)

        沙土自由場的動(dòng)力分析模型計(jì)算域尺寸為20 m×20 m×25 m,結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況,將土層劃分為3層,上層為粉土,中、下層為沙土,上、下層為非液化層,中層為可液化層,地下水位位于液化層表面,土層的計(jì)算參數(shù)見表1。

        表1 模型土層計(jì)算參數(shù)

        1.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件

        由于本次計(jì)算模型為規(guī)則的長方體,因此,數(shù)值模擬中采用了六面體網(wǎng)格(圖1)。FLAC3D軟件中提供了靜止(黏性)邊界和自由場邊界兩種邊界條件來減少模型邊界上波的反射。數(shù)值模擬中采用自由場邊界,即主體網(wǎng)格的側(cè)邊界通過阻尼器與自由場網(wǎng)格進(jìn)行耦合,自由場網(wǎng)格的不平衡力施加到主體網(wǎng)格的邊界上。由于自由場邊界提供了與無限場地相同的效果,因此,向上的面波在邊界上不會(huì)產(chǎn)生扭曲。

        圖1 施加自由場邊界條件的網(wǎng)格

        1.3 孔壓模型

        在FLAC3D軟件中主要有Finn模式和Byrne模式兩種塑性體積應(yīng)變增量公式,本次數(shù)值模擬采用建立在摩爾-庫倫模型基礎(chǔ)上的Finn模式,它反映了孔壓在地震動(dòng)作用下的累積效應(yīng),此外,該模式假定動(dòng)孔壓的上升與塑性體積應(yīng)變增量相關(guān)?;驹頌椋寒?dāng)沙的密度和往返作用次數(shù)一定時(shí),體應(yīng)變與豎向靜正應(yīng)力無關(guān),只取決于往返剪應(yīng)變幅值;當(dāng)往返剪應(yīng)變幅值一定時(shí),體應(yīng)變隨往返作用次數(shù)的增加而增加。每一次往返作用引起的體應(yīng)變增量取決于已經(jīng)產(chǎn)生的永久應(yīng)變數(shù)值和即將作用在土體上的剪應(yīng)變幅值。假設(shè)即將作用的剪應(yīng)變?yōu)榈贜次,那么第N次產(chǎn)生的永久體應(yīng)變增量與之前已經(jīng)產(chǎn)生的永久體應(yīng)變關(guān)系可用下式表示

        (1)

        式中,Δεv,d為第N次產(chǎn)生的永久體應(yīng)變增量;γ為第N次作用的剪應(yīng)變幅值;εv,d為第N次往返作用以前已經(jīng)產(chǎn)生的永久體應(yīng)變;c1=0.8,c2=0.79,c3=0.45,c4=0.73。

        1.4 模擬工況

        為較為深入地了解研究區(qū)飽和沙土的動(dòng)力特性,以及各種因子對(duì)動(dòng)力特性的影響,沙土自由場模擬總計(jì)14種工況,各工況的計(jì)算參數(shù)見表2。研究區(qū)段位于8度烈度區(qū),地震動(dòng)峰值加速度為0.30g。

        表2 自由場模擬各工況參數(shù)

        2 風(fēng)積沙液化特性及影響因素

        2.1 自由場液化特性分析

        孔壓比是在循環(huán)應(yīng)力作用下沙土的孔隙水壓力增量與側(cè)向有效固結(jié)應(yīng)力的比值,可在一定程度上反映沙土的液化趨勢,自由場中孔壓比越接近于1.0,說明該區(qū)域沙土越容易液化。圖2為工況3條件下自由場的超孔壓比分布云圖,從圖2不難看出,可液化層大部分區(qū)域的孔壓比在0.9以上,表明在地震動(dòng)環(huán)境作用下研究區(qū)可液化沙土的大部分區(qū)域存在液化的可能,需根據(jù)預(yù)測的地震烈度進(jìn)行處理才能保障該地基上建筑物的安全。此外,值得注意的是毗鄰非液化層的可液化沙土(簡稱毗鄰層,下文相同)孔壓比明顯偏小,說明非液化土層對(duì)相鄰的可液化土層液化具有一定的抑制作用。

        圖2 自由場的超孔壓比云圖

        為更直觀地分析可液化層中飽和沙土的液化趨勢,提取工況3土層中的超孔壓比時(shí)程曲線(圖3),可以看出,可液化沙土中各深度處孔壓比變化趨勢基本一致,大致可分為兩個(gè)階段:急劇上升階段和振蕩平穩(wěn)階段,曲線拐點(diǎn)大致在1~2 s。但受鄰近非液化土層及埋深的影響,曲線在細(xì)節(jié)上存在差異。除毗鄰層以外,其余各層的孔壓比均達(dá)到了1.0,但各土層孔壓比峰值到達(dá)時(shí)間明顯不同,深度越大孔壓比達(dá)到峰值所需時(shí)間越長,說明飽和沙土的液化并非同時(shí)到達(dá),而是上部土層首先液化,之后才是中、下部土層。

        圖3 可液化沙土超孔壓比時(shí)程曲線

        相關(guān)研究表明,松散的沙土在振動(dòng)作用下,沙顆粒將會(huì)重新排列,導(dǎo)致土體密實(shí)度增加,從而會(huì)產(chǎn)生一定的沉降。因此,探索可液化沙土在振動(dòng)環(huán)境下的沉降規(guī)律,可為液化地基上建筑物的沉降控制提供指導(dǎo)。圖4為工況3條件下不同埋深監(jiān)測點(diǎn)土體的沉降時(shí)程曲線,不難發(fā)現(xiàn),在動(dòng)力作用前期,振密后的土體沉降迅速增大,待土體達(dá)到一定密實(shí)度后,土層沉降速率逐漸減小,沉降曲線隨時(shí)間趨于平緩。此外,注意到不同土層的沉降存在差異,埋深越淺,沉降量越大。

        圖4 可液化沙土豎向位移時(shí)程曲線

        2.2 加速度對(duì)自由場液化特性的影響

        地震動(dòng)加速度不僅能反映地震的烈度,也可以在一定程度上預(yù)估地震損失。了解不同加速度條件下的地震動(dòng),可以為地基抗震方案提供依據(jù)。圖5為不同加速度條件下自由場的超孔壓比云圖,從圖5可以發(fā)現(xiàn),隨著地震動(dòng)加速度的增大,孔壓比在0.9~1.0的區(qū)域(簡稱高孔壓比區(qū)域,下同)在逐漸擴(kuò)大。上述現(xiàn)象說明,同等條件下,加速度越大地震動(dòng)的能量越高,可液化沙土的液化范圍越大,對(duì)地基上的建筑物影響也越大。此外,值得注意的是毗鄰層的范圍隨著加速度增加呈遞減趨勢,說明隨著加速的增大非液化層抑制沙土液化的作用在逐漸減弱。

        圖5 不同加速度條件下自由場的超孔壓比云圖

        圖6為不同加速度條件下可液化沙土孔壓比時(shí)程曲線,可以看出,孔壓比隨時(shí)間的變化趨勢基本一致,即均存在急劇上升階段和振蕩平穩(wěn)階段,但拐點(diǎn)的位置明顯不同。隨著加速度增加,曲線上拐點(diǎn)的位置逐漸向右移動(dòng),即達(dá)到孔壓比峰值的時(shí)間越長。說明加速度越大,同等條件下研究區(qū)沙土液化所需的時(shí)間越短。此外,還可以看出,加速度amax=0.05g時(shí),僅深度3 m處的孔壓比峰值達(dá)到了1.0,而加速度amax=0.10g,0.20g,0.30g時(shí),深度3~7 m時(shí)均達(dá)到了1.0。表明加速度較小時(shí),雖然沙土可能達(dá)到液化狀態(tài),但液化的區(qū)域較小。

        注:圖6(a)~圖6(d)中的下圖為虛線框中局部放大圖

        地震作用下,越靠近地表,豎向位移越大,故提取地表的豎向位移進(jìn)行分析。圖7為不同加速度條件下地表豎向位移時(shí)程曲線,不難發(fā)現(xiàn),隨著地震動(dòng)加速度的增大,地表最終豎向位移呈遞增趨勢。主要原因在于:外界加速度越大,地震動(dòng)蘊(yùn)涵的能量越高,在同等條件下沙土振的越密實(shí),從而使得同一位置的豎向位移越大。

        圖7 不同加速度條件下地表豎向位移時(shí)程曲線

        2.3 頻率對(duì)自由場液化特性的影響

        地震動(dòng)頻率是影響沙土液化的關(guān)鍵指標(biāo),研究它對(duì)液化特性的影響對(duì)地基抗液化具有指導(dǎo)作用。圖8為不同頻率條件下自由場的超孔壓比云圖,可以看出,高孔壓比區(qū)域范圍隨著頻率的增大而逐漸擴(kuò)大,說明頻率在3~6 Hz內(nèi),地震頻率越高,沙土可能液化的范圍在逐漸增大。

        圖8 不同頻率條件下自由場的超孔壓比云圖

        圖9為不同頻率條件下可液化沙土自由場的超孔壓比時(shí)程曲線,不難看出,各種頻率下孔壓比的變化趨勢基本一致,但曲線的拐點(diǎn)存在差異,頻率越小曲線的拐點(diǎn)越靠左,說明頻率越小達(dá)到孔壓比峰值所需的時(shí)間越短,即在3~6 Hz內(nèi),頻率越大地震液化所需時(shí)間越長。此外,注意到地震頻率越大,各層土體達(dá)到液化時(shí)的時(shí)間差越大,即下層土體液化的滯后性越強(qiáng)。

        注:圖9(a)~9(d)中的下圖為虛線框中局部放大圖

        圖10為不同頻率條件下可液化沙土自由場地表豎向位移時(shí)程曲線,分析變化趨勢不難看出,位移隨著時(shí)間的推移呈波動(dòng)遞增趨勢,但各頻率條件下最終的豎向位移量存在差異。在頻率3~6 Hz內(nèi),隨著地震頻率的增大,可液化沙土的最終豎向位移呈遞增趨勢。在頻率6 Hz時(shí),最終豎向位移約5 cm,而頻率3 Hz時(shí),最終豎向位移約1.8 cm,前者豎向位移約為后者的3倍。

        圖10 不同頻率條件下可液化沙土自由場地表豎向位移時(shí)程曲線

        2.4 液化層厚度對(duì)自由場液化特性的影響

        圖11為不同液化層厚度條件下自由場的超孔壓比云圖,厚度H對(duì)可液化沙土液化的影響顯著。隨著液化層厚度增加,高孔壓比區(qū)域由連續(xù)片狀分布逐漸分離為兩部分,且厚度越大兩部分之間的距離越大。此外,注意到中間層的超孔壓比在0.8~0.9,略小于上下兩層。

        圖11 不同液化層厚度條件下自由場的超孔壓比云圖

        圖12為不同液化層厚度條件下地表豎向位移時(shí)程曲線,趨勢顯示豎向位移隨著時(shí)間的推移呈波動(dòng)遞增趨勢,并最終趨于穩(wěn)定。此外,隨著液化層厚度增大,表層的最終豎向位移呈遞增趨勢。厚度為13 m時(shí),最終豎向位移約為8 cm,而厚度為7 m時(shí),最終豎向位移約為4 cm,前者豎向位移約為后者的2倍。

        圖12 不同液化層厚度條件下地表的豎向位移時(shí)程曲線

        2.5 液化層埋深對(duì)自由場液化特性的影響

        圖13為不同埋深條件下自由場的超孔壓比云圖,可以看出,埋深對(duì)可液化沙土的液化趨勢影響非常顯著。當(dāng)埋深由2.5 m增加至3.5 m時(shí),高孔壓比區(qū)域由連續(xù)片狀分布逐漸分離為兩部分;當(dāng)埋深由3.5 m增加至4.5 m時(shí),上層高孔壓比分布區(qū)域呈遞減趨勢;當(dāng)埋深增加至5.5 m時(shí),上層高孔壓比區(qū)域幾乎消失。上述現(xiàn)象揭示了上覆土層厚度對(duì)可液化沙土的液化具有抑制作用,土層厚度越大抑制作用越顯著,這說明,可通過增加上覆土層的壓力來減小可液化層的液化趨勢。

        圖13 不同埋深條件下自由場的超孔壓比云圖

        圖14為不同埋深條件下地表豎向位移時(shí)程曲線圖,不難看出,豎向位移在初期急劇增大,接著波動(dòng)變化,最后逐漸穩(wěn)定。對(duì)比不同埋深條件下的豎向位移時(shí)程曲線,可以發(fā)現(xiàn),隨著液化層埋深的增大,表層的最終豎向位移呈遞減趨勢,再次驗(yàn)證了上覆土體對(duì)液化的抑制作用。

        圖14 不同埋深條件下自由場地表豎向位移時(shí)程曲線

        3 結(jié)論

        本研究基于FLAC3D軟件中的Finn孔壓模型,結(jié)合川藏鐵路拉林段風(fēng)積沙液化路段的實(shí)際巖土參數(shù),對(duì)不同工況下土層的地震響應(yīng)特征進(jìn)行了數(shù)值模擬,主要結(jié)論如下。

        (1)在地震動(dòng)作用下,可液化沙土中的毗鄰層孔壓比明顯小于其他區(qū)域,說明非液化土層對(duì)相鄰可液化沙土的液化具有一定抑制作用,且隨著加速度增大這種抑制作用逐漸減弱。

        (2)在動(dòng)力環(huán)境作用下,可液化沙土并非同時(shí)液化,而是具有時(shí)間差,即除了毗鄰層以外,上部土層首先液化,之后才是中、下部土層。

        (3)地震動(dòng)加速度與頻率對(duì)研究區(qū)飽和沙土的液化特性影響顯著,加速度越大或頻率越小,同一土層達(dá)到液化所需的時(shí)間越短。此外,隨著加速度或頻率的增大,沙土的液化區(qū)域和最終沉降量均呈遞增趨勢。

        (4)可液化層厚度較薄時(shí),高孔比區(qū)域呈連續(xù)片狀分布,隨著液化層厚度逐漸增大,高孔壓比區(qū)域逐漸分離為上、下兩部分,且兩部分之間的距離也在增大。此外,最終豎向沉降量隨液化層厚度增大呈遞增趨勢。

        (5)上覆非液化土層越薄,飽和沙土的液化范圍越小,地表的最終沉降也越小,這表明可通過增大上覆非液化土層的重力來抑制液化層的液化程度。

        (6)川藏鐵路沿線風(fēng)積沙區(qū)的飽和沙土容易液化,在其上修筑建筑物時(shí)宜采取加固措施進(jìn)行處理,以達(dá)到減輕或消除飽和沙土液化性,保障建筑物安全的目的。

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