張 鵬

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710043)

0 引言

隨著現(xiàn)代社會的高速發(fā)展,我國交通版圖不斷擴(kuò)大,山嶺地區(qū)道路工程日益增多,伴隨著隧道工程的數(shù)量也越來越多。在隧道施工大規(guī)模建設(shè)的同時(shí),產(chǎn)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(shè)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(jié)構(gòu)松散,粒徑分布不均勻,棄渣時(shí)一般不再進(jìn)行二次碎渣,也不做壓實(shí)處理,處于欠固結(jié)狀態(tài)。由于其自身和外部環(huán)境的作用,容易發(fā)生失穩(wěn)、滑坡、泥石流等災(zāi)害,因此,棄渣場邊坡的穩(wěn)定性將直接影響到整個(gè)場地的安全。各研究者們對棄渣場穩(wěn)定性進(jìn)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(wěn)定性,得出棄渣場抗剪強(qiáng)度和坡體抗拉強(qiáng)度均有所降低,且震后液化區(qū)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(nèi)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(wěn)定性與飽和導(dǎo)水率和細(xì)粒物質(zhì)含量有重要影響。楊培[3]研究得出棄渣場安全系數(shù)與重度為負(fù)相關(guān),與黏聚力及內(nèi)摩擦角為正相關(guān),棄渣場最終優(yōu)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(nèi)部的應(yīng)力大小及分布、位移大小及分布規(guī)律,以某鐵路棄渣場為例,應(yīng)用有限元強(qiáng)度折減法,通過有限元軟件對隧道棄渣場邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值分析。同時(shí)采用非線性時(shí)程方法分析棄渣場在地震作用下有效應(yīng)變、安全系數(shù),將其結(jié)果作為棄渣場評價(jià)場地穩(wěn)定性指標(biāo)體系因子。又針對棄渣場地震液化進(jìn)行分析,為棄渣場的安全評價(jià)積累經(jīng)驗(yàn)。

1 數(shù)值分析理論

依據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)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(jì)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(gòu))筑物作用),kN/m;μw為邊坡綜合水平地震系數(shù),通過歸屬地區(qū)基本烈度確定綜合水平地震系統(tǒng),如表1所示。結(jié)合東達(dá)渣場地震參數(shù),該渣場設(shè)計(jì)為Ⅱ類場隧道棄渣場,地震基本烈度為7度,設(shè)計(jì)地震峰值加速度為0.10g,根據(jù)表1可知綜合水平地震系數(shù)為0.025。

表1 水平地震系數(shù)

2 工程概況

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

3 計(jì)算模型與參數(shù)

依據(jù)東達(dá)渣場來源于地勘報(bào)告的詳細(xì)資料數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際地形圖取棄渣場一部分截面利用有限元軟件MIDAS GTS NX進(jìn)行建模,共有18個(gè)棄渣臺階,模型長582 m,高104 m,模型左右兩側(cè)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(jié)點(diǎn),以消除地震波反射,如圖2所示。

為了讓模型盡量地接近實(shí)際情況,將模型分為棄渣層、塊石土層、細(xì)角礫石層、花崗巖層、攔擋墻,且做適當(dāng)簡化,劃分網(wǎng)格采用混合網(wǎng)格,對棄渣場及攔渣墻進(jìn)行網(wǎng)格加密,共劃分為32 310個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù),32 094個(gè)單元。棄渣層、塊石土、細(xì)角礫石、花崗巖采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型,攔渣墻采用彈性本構(gòu)。數(shù)值建模采用的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

本次分析的土體本構(gòu)模型采用Molar-Coulomb屈服準(zhǔn)則進(jìn)行相應(yīng)模擬分析,其屈服函數(shù)為:

其中,I1為應(yīng)力張量第一應(yīng)力不變量,I1=σx+σy+σz;θσ為洛德角,-30°≤θσ≤30°;J2為應(yīng)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(diào)研,查閱《我國部分核電廠核島區(qū)巖體動、靜模量研究》等相關(guān)資料,得到動、靜模量之間的關(guān)系,微風(fēng)化巖體的動、靜模量之比分布在0.56～3.0之間,中風(fēng)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(guān)關(guān)系。經(jīng)過計(jì)算得出東達(dá)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(shù)

4 擬靜力法

4.1 應(yīng)力特征分析

棄渣場在地震條件下的最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力等值線圖如圖3,圖4所示。

當(dāng)?shù)卣鸹玖叶葹?度工況下東達(dá)渣場整體邊坡大部分處于受壓狀態(tài),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(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)域,最大拉應(yīng)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(yīng)力有所降低,因此棄渣場邊坡整體穩(wěn)定。

4.2 剪應(yīng)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(yīng)力云圖如圖5,圖6所示。

根據(jù)強(qiáng)度折減法計(jì)算結(jié)果表明,此時(shí)渣場整體穩(wěn)定系數(shù)是1.91,大于規(guī)定的1.35標(biāo)準(zhǔn),故而整體渣場邊坡是處在穩(wěn)定的水平。從棄渣場整個(gè)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(yīng)變增量比較大,為1.18,而在其他部位的剪應(yīng)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(chǎn)生局部變形,雖變形量較小,但與天然工況相比剪切應(yīng)變有所增大。而最大剪應(yīng)力集中分布區(qū)域同樣出現(xiàn)在棄渣體與塊石土覆蓋層交界位置,最大值為0.22 MPa,未發(fā)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(dá)渣場邊坡總位移變形特征主要表現(xiàn)在渣體邊坡陡緩交界處變形較大,最大值32.9 cm,而其他區(qū)域的變形隨之減小,主要發(fā)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(jīng)計(jì)算,在地震條件下,渣場對應(yīng)著的整體穩(wěn)定系數(shù)情況是1.91,大于規(guī)范要求的1.15,因此,說明東達(dá)渣場在地震條件下整體是穩(wěn)定的,但相對天然條件下穩(wěn)定系數(shù)2.13有所降低,渣場穩(wěn)定性有所降低,這是由于地震條件下對于棄渣場邊坡穩(wěn)定性是不利的。

5 非線性時(shí)程分析

5.1 地震波的確定

結(jié)合本次研究的Ⅱ類場地隧道棄渣場地質(zhì)特性,根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》,對于Ⅱ類場地,在進(jìn)行地震參數(shù)選取的時(shí)候設(shè)計(jì)特征周期應(yīng)按0.35 s,0.40 s,0.45 s采用,本文采用設(shè)計(jì)特征周期0.40 s。棄渣場地震波時(shí)程荷載函數(shù)曲線如圖8所示。

5.2 地震作用下棄渣場應(yīng)變場分析

選取4 s,8 s,12 s,16 s四個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行非線性時(shí)程分析,對于四個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)下的棄渣場應(yīng)變場進(jìn)行分析,有效應(yīng)變變化趨勢見圖9。

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

除此之外,由于地震波加載時(shí)程的增加,在峰值加速度時(shí)刻的安全系數(shù)變化幅度比其他時(shí)刻加速度變化幅度大,在棄渣場快被破壞時(shí),安全系數(shù)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(shù)變化幅度不大。隨著載入地震波時(shí)程的持續(xù),東達(dá)棄渣場穩(wěn)定性整體呈降低趨勢,當(dāng)?shù)卣鸩铀俣冉档挖呌?時(shí),其邊坡穩(wěn)定性系數(shù)也逐漸趨于定值2.26,大于規(guī)定的1.35標(biāo)準(zhǔn),故而整體渣場邊坡是處在穩(wěn)定的水平。

6 棄渣場地震液化分析

6.1 地震液化機(jī)理

地震液化是地震震害的主要形式之一,對于棄渣場穩(wěn)定性來說會造成巨大的危害,其主要機(jī)理為:土體受到震動后趨于密實(shí),導(dǎo)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(dāng)?shù)窒行?yīng)力時(shí)使土粒處于懸浮狀態(tài)。當(dāng)土粒完全失去抗剪強(qiáng)度而顯示出近于液體的特性。

6.2 東達(dá)渣場地震液化穩(wěn)定性分析

東達(dá)棄渣場上覆土體粒徑較小,有發(fā)生地震液化的必要條件,同時(shí)通過提取渣體浸潤線計(jì)算有效覆蓋壓力判斷本渣場發(fā)生地震液化的可能性,對于本次設(shè)計(jì)研究的東達(dá)渣場地震液化穩(wěn)定性分析[4],結(jié)合棄渣場地質(zhì)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(qiáng)度降低,呈現(xiàn)為稀泥漿狀,嚴(yán)重影響棄渣場穩(wěn)定性[5]。本次設(shè)計(jì)地震液化模型見圖10。

6.3 發(fā)生地震液化判定

根據(jù)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(yīng)飽和土體埋置深度為12.53 m,將各參數(shù)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(jù)計(jì)算結(jié)果可知,σ=0.93 kg/cm2,小于表4所查得的數(shù)據(jù)1.0 kg/cm2,故判定該棄渣場在地震烈度為7度時(shí)存在地震液化現(xiàn)象。

表4 渣土體液化界限值參考表

6.4 東達(dá)渣場防治地震液化措施

針對上述分析可知,東達(dá)渣場在一定條件下會發(fā)生地震液化現(xiàn)象,結(jié)合本次設(shè)計(jì)場地主要以中密、粒徑較小的松散的碎石土地質(zhì)條件,主要提出以下防治措施[6]:

1)根據(jù)東達(dá)渣場地層性質(zhì),可以采用不會發(fā)生液化現(xiàn)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(xù)墻或樁體將渣土場四周圍護(hù)起來,從而限制棄渣場渣土體液化時(shí)發(fā)生側(cè)移影響棄渣場穩(wěn)定性。

3)通過密實(shí)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(qiáng)度低滲透性的柱或板,通過置換作用形成的復(fù)合地基提高了地基的強(qiáng)度及承載力。

7 結(jié)論

本文通過查閱資料、數(shù)據(jù)采集、建模分析幾個(gè)步驟,重點(diǎn)分析了地震作用對棄渣場邊坡穩(wěn)定性的影響。將擬靜力法與非線性時(shí)程分析所得的穩(wěn)定系數(shù)相結(jié)合,對地震作用下的棄渣場邊坡做出穩(wěn)定性評價(jià)。主要的研究結(jié)論如下:

1)通過將地震作用下棄渣場的應(yīng)力特征、剪應(yīng)變增量以及位移變形特征的數(shù)值模擬結(jié)果與天然狀況下的合并分析,并以整體穩(wěn)定系數(shù)為評判依據(jù),推斷出東達(dá)棄渣場邊坡在當(dāng)?shù)氐牡卣饤l件下處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2)采用非線性時(shí)程分析并結(jié)合東達(dá)棄渣場的具體地質(zhì)情況,在動力參數(shù)與地震波確定后,對4 s,8 s,12 s,16 s四個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)下的棄渣場應(yīng)變場進(jìn)行分析,根據(jù)有效應(yīng)變先增大后趨于平穩(wěn)的趨勢以及地震波加速度變化幅度,判定出東達(dá)棄渣場處于穩(wěn)定不破壞狀態(tài)。

3)針對地震作用下棄渣場容易出現(xiàn)的液化現(xiàn)象,從分析液化機(jī)理出發(fā),再到建立棄渣場地震液化分析模型,最后從計(jì)算的角度確定棄渣場在地震烈度為7度時(shí)存在地震液化現(xiàn)象,對此結(jié)合東達(dá)棄渣場具體情況提出相應(yīng)的地震液化防治措施。