高填方浸水路堤地震动稳定性及变形特性分析

姚洪锡

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

高填方浸水路堤地震动稳定性及变形特性分析

姚洪锡

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

利用GeoStudio软件系列建立了一个高填方浸水路堤二维动力耦合数值分析模型，分析了地震作用下路堤的变形性状和稳定性变化规律，以及三峡库区水位对路堤变形性状和稳定性的影响。结果表明，地震荷载作用下，土层在地震惯性力的作用下其剪切模量迅速降低，发生较大的剪切变形，最大剪切变形由坡脚软弱层、中部交界面和填筑体边坡坡顶处迅速拓展形成滑动面，稳定系数也急剧下降，且路堤的地震动最小稳定系数随着库区水位的升高而逐渐减小。高填方浸水路堤的水平位移和竖向沉降发生部位具有明显特征规律，且随着库区水位的升高而不断增加。

高填方浸水路堤； 地震动； 稳定性； 变形特性

地震是触发路基变形和边坡失稳的重要原因之一。我国特殊的地理地质条件不可避免地带来了大量和地震作用有关的路基边坡问题[1]。随着国家“西部大开发”战略的实施和国民经济的持续发展，相当多的山区铁路客运专线将建在西部强震区，路堤的地震动稳定性问题日趋突出，尤其是填方高度达到40m以上时稳定系数偏低[2]。路堤边坡稳定系数与填料的抗剪强度指标及密度、地下水位和地震参数等密切相关。三峡水库蓄水后，长江中上游的水位大幅度地升高，而沿着长江及其支流岸坡修建的铁路和公路大多高程相对较低，这些路堤或半填半挖路基的一部分位于库区蓄水位以下，从而使得这些路堤受到蓄水的影响变成了浸水路堤[3]。浸水路堤病害在地震动作用下会进一步影响路堤的稳定性和变形性状，地震导致路堤失稳引发的地质灾害非常严重，尤其是高填方路堤，所以高填方浸水路堤在地震动作用下的稳定性和变形性状是值得高度重视和深入研究的新课题。

GeoStudio软件系列可以很好地解决二维平面动力分析问题，已经成功地应用于岩土边坡稳定性及地震动力响应分析等诸多领域[3-7]。为了研究高填方浸水路堤的地震动变形性状和地震动稳定性变化过程，本文利用GeoStudio软件系列中的各分析模块建立了一个高填方浸水路堤的二维动力数值模拟模型，模拟了地震引起的地震动响应，对高填方浸水路堤的地震动变形性状和边坡稳定性以及三峡库区水位升降的影响做了有益的探讨。

1 高填方浸水路堤地震动计算模型

1.1 计算模型与边界条件

以处于三峡库区内的某货运站场高填方浸水路堤为原型(图1)，建立一个二维动力数值分析模型，模型边界采用长×高×厚=410m×116m×1m为边界范围，最大高差约76m，路堤边坡斜率为1∶2，填方上共有44股轨道。上部荷载换算土柱按I级铁路特重型进行换算，换算土柱的截面为3.2m×3.7m，由于此填方位于站场部分，所以可将离散的换算土柱简化为均布的换算土柱。

图1 典型断面

为探讨地震荷载作用下的高填方浸水路堤的动力响应规律，采用岩土分析软件GeoStudio软件系列建立高填方浸水路堤的二维动力耦合计算模型。对路堤这样的半无限体进行模拟时，依赖于平面中有限区域离散化的数值方法，静态分析时采用的固定边界；动力分析时在底面采用固定边界，四周采用部分自由场边界。模型本构模型和屈服准则分别采用线弹性本构模型和Mohr-Coulomb强度准则。计算模型和边界条件设置如图2所示。

图2 数值计算模型

1.2 岩土物理力学参数

表1 岩土体物理力学参数

1.3 数值计算工况

1.3.1 地震荷载

为模拟地震动参数对高填方浸水路堤的动力响应的影响，输入ElCentro地震波(1940，N-S向)。相关研究表明持时对加速度峰值响应的影响不大，因此截取地震波的前10s作为输入的荷载，最大加速度为0.348 42m/s2，发生在第2.14s(图3)。

图3 El Centro地震波前10s的水平加速度时程曲线

1.3.2 三峡库区水位

三峡大坝建成蓄水后，库区水位会逐渐升高到设计水位，在百年洪水时水位会上升到峰水位。为研究高填方路堤在浸水作用下的地震动变形性状和稳定性文中选取了常年蓄水位进行研究。为考察不同水位下路堤的地震动响应特性，本文又选取了3个特征水位进行计算比较分析，如表2所示。

表2 三峡库区特征水位

2 常年蓄水位下高填方浸水路堤

2.1 地震动稳定性分析

地震荷载作用下高填方浸水路堤稳定性随时间的变化曲线如图4所示，由图可知地震动最小安全系数为1.027，发生于第4.48s。

图4 蓄水位下地震动稳定系数时程曲线

由于动剪应力随震动时间而不同，坡体的动力抗滑稳定性安全系数也是时间的函数。在动荷载荷载作用下，边坡在瞬间进入失稳状态。图5是地震荷载作用下高填方浸水路堤最危险滑动面形状与位置，由图可知最危险滑面穿过了人工填土、填料与地基交界面和片石坝。

图5 蓄水位下最危险滑面形状与位置

高填方路堤在上层软弱下层相对坚硬的地基上的进行填筑，在地震惯性力逐渐增大的过程中，地震惯性力产生的破坏效应越来越严重，填筑体最大位移与最大沉降也增大。软弱土层在地震惯性力的作用下其剪切模量迅速降低，发生较大的剪切变形，最大剪切变形由坡脚软弱层、中部交界面和填筑体边坡坡顶处迅速拓展形成滑动面，稳定系数也急剧下降，当降低到一定程度就会失稳破坏。在地震波惯性力的作用下，当碰到交界面时，交界面是强度突变的地方，容易产生应力应变集中，滑裂面容易在交界面产生。

2.2 地震动变形分析

最不利时刻路堤水平位移分布如图6所示，从图中可以看出，在地震作用下，路堤路肩附近的水平位移较其它部位明显大得多，路肩附近最大水平位移达180.99mm。最不利时刻路堤竖向沉降分布如图7所示，从图中可以看出，在地震作用下，路基面路肩和路堤边坡中心附近的竖向沉降较其它部位明显大得多，路肩附近最大竖向沉降达25.31mm。

图6 高填方浸水路堤的水平位移云图

图7 高填方浸水路堤的竖向沉降云图

由于地震产生的水平惯性力反复作用，填筑体体结构被破坏，岩土体结构间联结力与联结数量减少，填筑体的剪切模量在动应力的作用下减小，导致抗剪强度变小，坡体产生了剪切变形。由图6可知，地震荷载作用下，在最不利时刻此高填方浸水路堤的水平位移值发生部位具有明显特征规律。最大水平位移出现于路肩附近，随着路堤深度的增加，水平位移逐渐减小，而且不同高程上的最大水平位移都出现在路堤中部。

江水入渗导致填筑体内孔隙水压力的上升，改变了边坡体应力状态，降低了填筑体内部的有效应力。由图7可知，地震荷载作用下，在最不利时刻此高填方浸水路堤的竖向沉降值发生部位具有明显特征规律。最大水平位移出现于路基面路肩和路堤边坡中心附近，随着路堤深度的增加，竖向沉降逐渐减小；在路基面中心出现向上的位移，这与此时刻的地震动强度有关。

3 水位变化对高填方浸水路堤的影响

3.1 水位变化对地震动稳定性的影响

三峡库区水位位于枯水位、正常蓄水位和百年峰水位时的地震动最小稳定系数如图8所示。

图8 地震动最小稳定系数随水位的变化曲线

由图8可知，随着库区水位的升高，路堤的地震动最小稳定系数逐渐减小，库区水位每升高10m，地震动最小安全系数就约减小0.06。

3.2 水位变化对地震动变形的影响

三峡库区水位位于枯水位、正常蓄水位和百年峰水位时高填方浸水路堤路肩下各点的水平位移如图9所示。

图9 路堤路肩下各点水平位移分布

由图9可知，最大水平位移值出现在路堤填土层高度的中下部附近，由上至下，随着路堤深度的增加，侧向位移值逐渐增大，达到最大值后侧向位移值又会急剧减小。而且，随着水位的升高，路堤的水平位移逐渐增大，尤其是路堤填土层上部。

三峡库区水位位于枯水位、正常蓄水位和百年峰水位是的路基面竖向沉降如图10所示。

图10 路基面横向各点竖向沉降分布

由图10可知，路基面最大竖向沉降出现在路基面中心两侧，由左至右，竖向沉降值出现两个峰值，在接近靠山侧时又会急剧减小。而且，随着水位的升高，路肩附近的最大竖向沉降值逐渐增大，而路基面中心附近的最大竖向沉降值逐渐减小。

4 结论

(1)地震荷载作用下，软弱土层在地震惯性力的作用下其剪切模量迅速降低，发生较大的剪切变形，最大剪切变形由坡脚软弱层、中部交界面和填筑体边坡坡顶处迅速拓展形成滑动面，路基边坡稳定系数也急剧下降。

(2)随着库区水位的升高，路堤人工填土浸入水中的体积增多，从而使水对路堤地震动稳定系数的影响逐渐增强，路堤的地震动最小稳定系数逐渐减小。

(3)最大水平位移值出现在路堤填土层高度的中下部附近，由路肩处向下，水平位移值随着路堤深度的增加而增大，达到最大值后又急剧减小，且路堤的水平位移随着库区水位的升高而增大。

(4)路基面最大竖向沉降出现在路基面中心两侧，竖向沉降随着高程的增加而增加；在路基面上，竖向沉降值出现两个峰值，在接近靠山侧时又会急剧减小；靠路肩侧的最大竖向沉降值随着水位的升高而增大，靠山侧的最大竖向沉降值则呈减小趋势。

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姚洪锡(1983～)，男，工程师，主要从事铁路设计与研究工作。

U213.1+57

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[定稿日期]2015-03-17