高路基邊坡抗震穩定性分析

趙維霞 李洪福 李連海

0 引言

公路是山區最主要的交通運輸手段。隨著西部大開發的進行,將在西部山區修建越來越多的高等級公路。西部地區公路的工程地質條件非常復雜,地形地貌變化大,且地震活動頻繁,地震烈度、頻率都較高。公路工程屬于帶狀結構物,一條路線少則十幾公里,多則幾百公里,甚至上千公里。而一些公路都不得不通過多地震區,進行高填土路基的施工,從十多米到上百米的高填土路基都是經常碰到的事情,所以有必要研究地震作用下高填土路基的邊坡穩定性。

1 分析方案

1.1 分析方法

采用擬靜力法和有限元法。

1.2 參數的選用

選用鐵道部第一、二、三勘測設計院在西北、西南、華北地區所做的路堤填料試驗和1975年海城地震區經受7度和9度地震基本無震害的路堤填土試驗資料中具有代表性的兩組土的物理力學試驗數據:1)γ=19 kN/m3,C=33 kPa,φ=16°;2)γ=19 kN/m3,C=21 kPa,φ=21°24′。

1.3 擬靜力分析的參數

擬靜力分析法中水平地震系數的選用如表1所示。

表1 水平地震系數 Kn

1.4 分析方案

1)進行以下幾種情況下的高路堤邊坡的穩定性分析:a.采用擬靜力法計算邊坡穩定;b.采用靜力有限元法分析計算邊坡穩定;c.采用動力有限元法分析計算邊坡穩定。

2)擬靜力法計算邊坡穩定分析、有限元分析在靜荷載作用下和地震荷載下的動力反應分析,比較安全系數降低的百分數。

2 分析模型的建立

使用巖土邊坡穩定分析軟件進行邊坡穩定分析。在邊坡穩定中所采用的方法有極限平衡法和有限元法。極限平衡法包含Bishop法、Janbu法、Spencer法、Morgenstern-Price法、GLE 法等,有限元法在邊坡分析中采用時程分析法。它們都是通過定義滑動面的圓心及半徑來搜索最危險的滑動面。

2.1 擬靜力分析模型

建立如圖1所示高填土路堤的擬靜力分析模型,分無地震、7度、8度、9度地震時分別建立模型。在擬靜力分析中地震的影響以地震影響系數的形式輸入。不同震級下,模型相同,只是地震影響系數不同,分別對應為0,0.025,0.5,1。

2.2 有限元靜力分析模型

有限元分析需要建立八個模型,先建立如圖2所示的有限元邊坡地震反應分析模型,然后把分析數據導入如圖3所示的有限元邊坡穩定分析模型中進行穩定性分析。有限元靜力(動力)分析中,地震對邊坡的影響是以地震波的形式輸入的。

2.3 有限元動力分析模型

有限元動力分析模型與靜力分析模型形式相同(見圖2,圖3),只是內部參數不同。有限元動力分析采用時程分析法,分析在地震作用時間內,間隔0.02 s時的邊坡穩定安全系數,然后找出地震作用時間內最小的安全系數。

3 計算結果分析

1)采用簡化方法計算出的安全系數和安全系數降低程度與公路工程抗震規范值基本接近,采用有限元方法計算出的安全系數與安全系數的降低程度較規范偏低。2)采用簡化方法時,考慮地震時的安全系數降低程度與路堤高度基本無關。3)按等效線性化考慮非線性反應的有限元方法時,隨路堤高度的增加,考慮地震時的安全系數降低程度減小。4)按等效線性化考慮非線性反應的有限元方法時,高路堤的非線性反應特征不明顯。5)簡化方法和有限元法的結果均表明,不同的路面寬度對安全系數的影響不大。6)簡化方法和有限元法的結果均表明,不同的土體參數對地震時的安全系數的降低程度的影響不大。7)簡化方法和有限元法的結果均表明,按現有工程習慣的分臺和坡度設置,對40 m以上的路堤,安全系數偏低。

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