和若铁路粉细砂包芯路基边坡稳定性数值模拟分析

吴 鹏

(新疆铁道勘察设计院有限公司,新疆 乌鲁木齐 830011)

0 引言

和若(和田至若羌)铁路位于新疆维吾尔自治区南部和田地区和巴音郭楞蒙古自治州境内,线路全长825.476 km,为国家Ⅰ级铁路,单线,设计行车速度为120 km/h[1]。

和若铁路沿线A、B组填料相对缺乏,运距远,但风积粉、细砂广泛分布。粉、细砂填料具有级配不良、无黏性、天然含水率小、保水性差等特点,属于C3组填料,不能直接用作基床层的填料,需进行改良措施达到要求后才能使用。和若铁路路基长738.529 km,占线路总长的89.5%,其中粉细砂包芯路基长203.9 km。因此,路基结构采用合适的填料及结构形式以满足列车动荷载作用下的强度及变形要求,对于保障线路平稳长久运行具有重要意义。

一些学者对包芯路基沉降、填筑施工技术展开了研究,陈桂芬等[2]以格库铁路新疆S1标风积沙包芯路基工程为例,利用Midas GTS/NX有限元软件对包芯路基、基底进行数值模拟,研究为格库铁路运营维护提供了理论依据。赵建斌等[3]对和若铁路路基基床底层包芯土填筑施工技术原理和施工工艺流程进行了研究。唐咸远等[4]以南宁外环高速公路K9+680～K9+790路段为研究对象,对包芯法填筑膨胀土路堤的施工技术进行研究,获得了相关施工参数和方法。

以上文献主要针对包芯路基的沉降和施工技术方面进行了研究,而有关于粉细砂包芯路基边坡稳定性研究鲜见,由于和若铁路现场试验条件的限制,细砂包芯路堤结构形式较为单一,其基床底层卵砾石土的包边尺寸和土工格栅的铺设方式尚需进一步的探讨,本文以和若铁路细砂包芯路堤试验段为依托,利用FLAC 3D 数值分析软件,研究在轨道结构和列车静荷载作用下,基床底层卵砾石土包边尺寸、土工格栅加筋间距以及加筋长度对细砂包芯路堤变形特性和稳定性的影响。

1 工程概况

和若铁路DK111+541～DK111+575段,以填方通过,设计时采用粉细砂包芯路堤填筑型式,路堤面宽度为7.8 m,基床表层为0.6 m,基床底层为1.9 m,基床以下路堤高度为1.971 m,边坡坡率为1∶1.75。

根据设计文件,路堤基床表层0.6m采用B2组及以上填料;基床底层1.9m芯部采用C2组以下风积沙填料,两侧包边采用C2组及以上填料,包边尺寸为2 m;基床底层采用C组及以上填料。在基床表层底部铺设土工格栅,以增强路基稳定性。粉细砂包芯路基横断面设计图如图1所示。

图1 粉细砂包芯路基设计图(m)

2 粉细砂包芯路基结构有限元模型

2.1 几何模型的建立

以和若铁路粉细砂包芯路堤试验段DK111+541～DK111+575为研究对象,选取DK111+541断面的结构设计参数为模型的计算参数,由于细砂包芯路堤为对称结构,可以选取细砂包芯路堤的一半进行模拟计算。基床表层厚度为0.6 m,基床底层厚度为1.9 m,基床以下路堤高度为1.971 m,边坡坡率为1∶1.75,路堤顶面宽度为3.9 m,基床底层卵砾石土包边尺寸为2 m。本文计算模型中地基的水平计算宽度为30 m,计算深度为10 m。其几何计算模型如图2 所示。

图2 细砂包芯路堤几何计算模型图

2.2 材料参数的确定

根据和若铁路细砂包芯路堤施工方案,基床表层采用卵砾石土填料,基床表层底面通铺双向土工格栅;基床底层采用细砂填料和卵砾石土填料;基床底层以下路堤采用细砂填料;地基为天然地基,主要为细砂填料。数值模拟中材料参数根据地质勘探报告、现场试验、室内试验共同确定,具体物理力学指标如表1和表2所示。

表1 细砂包芯路堤填料参数表

表2 土工格栅材料参数表

2.3 本构模型以及荷载边界条件

本构模型:地基以及路堤本体采用理想弹塑性模型,土工格栅采用geogrid土工格栅单元。边界条件:模型底部约束水平和竖向位移,模型两侧约束水平位移,模型顶面为自由边界,细砂包芯路堤的计算模型如图3所示。

根据《铁路路基设计规范》(TB10001-2016)[5],对列车荷载和轨道结构荷载进行简化,对于国铁Ⅰ级客货共线铁路、设计时速≤120 km、钢轨质量为60 kN/m的铁路路堤,其荷载分布宽度为3.7 m,单位荷载总计为66.87 kN/m2,其中轨道单位荷载为18.61 kN/m2,列车单位荷载为48.26 kN/m2,由于模型选取为实际路堤的一半,因此荷载在模型中的分布宽度为1.85 m。

图3 细砂包芯路堤计算模型图

2.4 模型的验证

本文选取轨道结构荷载作用下细砂包芯路堤顶面的最大竖向位移与上文预测得到的最大工后沉降做对比,进而验证模型的可靠性。图4为数值仿真得到的细砂包芯路堤竖向位移云图。

图4 数值仿真细砂包芯路堤路堤面竖向位移云图

由图4可知,在轨道结构荷载作用下,细砂包芯路堤的最大竖向位移位于路堤面线路中心处,为3.63 mm,地基面的竖向位移为1.95 mm,基于实测结果对基床表层表面中心处和地基面处的预测工后沉降分别为3.11 mm和2.35 mm,结果较为相近,表明该数值计算模型可靠度较高。

3 基于数值仿真的粉细砂包芯路基边坡稳定性分析

为探究基床底层不同包边尺寸、土工格栅不同加筋间距和加筋长度对细砂包芯路堤工程力学特性的影响,利用数值仿真软件建立不同工况的数值分析模型,通过对比路堤不同位置的节点位移和路堤边坡稳定安全系数,研究路堤的变形特性和边坡稳定性。

3.1 不同包边尺寸下包芯路堤的变形特性和边坡稳定性

为探究基床底层卵砾石土不同包边尺寸对细砂包芯路堤工程特性的影响,建立包边尺寸分别为0 m、0.5 m、1 m、1.5 m、2 m以及2.5 m的路堤计算模型,通过对比分析,研究包边尺寸不同对细砂包芯路堤静力性能的影响。

3.1.1 不同包边尺寸下细砂包芯路堤的变形特性分析

不同包边尺寸下细砂包芯路堤的位移云图基本相似,如图5和图6所示。

(a)竖向位移

(b)水平位移

(a)竖向位移

(b)水平位移

由图5和图6可知,在轨道自重和列车静荷载作用下,不同包边尺寸下细砂包芯路堤的位移云图呈现相似的特征,最大竖向位移位于路堤面线路中心,最大水平位移位于路堤边坡上,且最大竖向位移要远大于其最大水平位移。

不同包边尺寸下细砂包芯路堤的路堤顶面竖向位移、地基面竖向位移、沿边坡方向的水平位移以及沿路堤深度方向的竖向位移变化曲线如图7所示。

(a)路堤顶面竖向位移

(b)地基面竖向位移

(c)坡面水平位移

(d)沿深度方向的竖向位移变化曲线

由图7(a)可知,路堤顶面的竖向位移与荷载的作用范围密切相关。从线路中心至线路边缘,随距线路中心距离的增加,路堤顶面的竖向位移逐渐减小,在距离线路中心1.85 m范围内,路堤顶面的竖向位移较大,在1.85～3.9 m范围内,路堤顶面的竖向位移迅速变小。包边尺寸为0～2.5 m所对应的路堤顶面最大竖向位移分别为16.64 mm、15.65 mm、16.9 mm、16.82 mm、16.67 mm以及16.17 mm。随包边尺寸的增加,路堤顶面最大竖向位移的整体变化幅度较小。

由图7(b)可知,随距线路中心距离的增加,地基面的竖向位移逐渐减小,与路堤面相比,竖向位移没有较大的突变。考虑原因是随着土体深度的增加,土体内部对竖向位移的大小进行一定的调整。包边尺寸为0～2.5 m所对应的地基面最大竖向位移分别为10.6 mm、9.49 mm、10.45 mm、10.37 mm、10.12 mm以及9.53 mm。

由图7(c)可知,沿路堤边坡方向,不同包边尺寸下细砂包芯路堤的水平位移呈现出先增大后减小的分布规律。包边尺寸为0～2.5 m所对应的最大水平位移分别为3.4 mm、3.38 mm、3.44 mm、3.46 mm、3.44 mm以及3.61 mm,可以看出基床底层卵砾石土包边尺寸对细砂包芯路堤的最大水平位移影响不大。

由图7(d)可知,不同包边尺寸下,细砂包芯路堤竖向位移沿深度方向的变化规律基本相同,且包边尺寸对路堤沿深度方向的竖向位移变化规律影响较小。综上可知,不同包边尺寸下,细砂包芯路堤的最大竖向位移和最大水平位移整体变化幅度较小,表明包边尺寸对路堤的变形特性影响不大。

3.1.2 不同包边尺寸下细砂包芯路堤的边坡稳定性分析

为探究不同包边尺寸对细砂包芯路堤稳定性的影响,绘制路堤剪应变增量和速度矢量云图,如图8所示。

(a)包边尺寸0.5 m

(b)包边尺寸1.5 m

不同包边尺寸下细砂包芯路堤边坡稳定安全系数见表3。

表3 不同包边尺寸下细砂包芯路堤边坡稳定安全系数表

由图8和表3可知,包边尺寸为0 m时,细砂包芯路堤的边坡稳定安全系数为1.67,边坡稳定安全系数较高。随包边尺寸的增加,路堤边坡的稳定安全系数整体变化幅度较小,最大变化幅度仅为2.4%,由此可知,基床底层卵砾石土包边尺寸对细砂包芯路堤边坡稳定性影响较小。

综上可知,从力学角度分析,包边尺寸对路堤的变形特性和边坡稳定性的影响较小,卵砾石土包边填料的主要作用是防风固沙。因此,在选取细砂包芯路堤卵砾石土包边尺寸时,建议从防风固沙的角度考虑。

3.2 不同加筋条件下包芯路堤的变形特性和边坡稳定性

为进一步研究土工格栅不同加筋间距和加筋长度对细砂包芯路堤变形特性和边坡稳定性的影响,本文以包边尺寸为0.5 m的细砂包芯路堤为研究对象,加筋范围为基床底层,加筋间距为0.3 m、0.6 m、0.9 m,加筋长度为3 m(边坡加筋)和通长加筋,总计6 种加筋情况,见表4。通过对路堤不同位置的节点位移和边坡稳定安全系数进行对比分析,进而研究加筋间距和加筋长度对细砂包芯路堤工程力学特性的影响。

表4 土工格栅加筋方案表

3.2.1 不同加筋条件下细砂包芯路堤的变形特性分析

土工格栅不同加筋间距和加筋长度下细砂包芯路堤的位移云图基本相似,图9和图10为加筋间距为0.6 m时边坡加筋和通长加筋下的路堤位移云图。

由图9和图10可知,不同加筋条件下,细砂包芯路堤最大竖向位移位于路堤面线路中心,最大水平位移位于路堤边坡上,且最大竖向位移要远大于其最大水平位移。细砂包芯路堤不同加筋条件下路堤顶面竖向位移、地基面竖向位移、沿边坡方向的水平位移以及沿路堤深度方向的竖向位移变化曲线如下页图11和图12所示。

(a)竖向位移

(b)水平位移

(b)水平位移

(a)路堤顶面竖向位移

(b)地基面竖向位移

(c)坡面水平位移

(d)沿路堤深度方向的竖向位移变化曲线

(a)路堤顶面竖向位移

(b)地基面竖向位移

(c)坡面水平位移

(d)沿路堤深度方向的竖向位移变化曲线

由图11(a)、 (b)和图12(a)、 (b)可知,随距线路中心距离的增加,细砂包芯路堤顶面和地基面的竖向位移逐渐减小。采用边坡加筋,加筋间距为0.3 m、0.6 m和0.9 m时,路堤顶面的最大竖向位移分别为15.58 mm、15.6 mm和15.6 mm,地基面的最大竖向位移分别为9.39 mm、9.42 mm和9.4 mm。采用通长加筋,加筋间距为0.3 m、0.6m和0.9 m时,路堤顶面最大竖向位移分别为14.98 mm、15.21 mm以及15.3 mm,地基面最大竖向位移分别为8.95 mm、9.07 mm以及9.15 mm。相较于包边尺寸为0.5 m、基床底层未加筋的路堤,当采用通长加筋,加筋间距为0.3 m时,最大竖向位移变化幅度最大,减小幅度为4.28%,表明加筋间距和加筋长度对细砂包芯路堤的最大竖向位移影响较小。

由图11(c)和图12(c)可知,随距路堤顶面竖向高度的增加,水平位移呈现出先增大后减小的分布规律。加筋间距为0.3 m、0.6 m和0.9 m,边坡加筋所对应的最大水平位移分别为3.15 mm、3.16 mm和3.16 mm;通长加筋对应的最大水平位移分别为2.68 mm、3.00 mm以及3.04 mm。综上可知,包边尺寸为0.5 m,基床底层未加筋的路堤最大水平位移为3.38 m。可以看出加筋长度相同时,加筋间距对细砂包芯路堤的最大水平位移影响很小;加筋间距相同时,相较于边坡加筋,通长加筋能够显著降低细砂包芯路堤的最大水平位移,其中加筋间距为0.3 m,最大水平位移变化幅度最大,为20.7%。

由图11(d)和图12(d)可知,不同加筋长度和不同加筋间距下,细砂包芯路堤的竖向位移随路堤深度的增加而逐渐减小。

综上可知,加筋长度相同时,随着加筋间距的增加,细砂包芯路堤的最大竖向位移和最大水平位移变化幅度较小;加筋间距相同时,相较于边坡加筋,通长加筋能够有效抑制路堤的最大水平位移。

3.2.2 不同加筋条件下细砂包芯路堤的稳定性分析

为探究不同加筋条件下细砂包芯路堤稳定性的影响,绘制路堤剪应变增量和速度矢量云图,图13为加筋间距为0.6 m时,边坡加筋和通长加筋下的路堤剪应变增量和速度矢量云图。

(b)通长加筋

不同加筋条件下细砂包芯路堤边坡稳定安全系数见表5。

表5 不同加筋条件下细砂包芯路堤边坡稳定安全系数表

如图13和表5可知,加筋长度为3 m时,不同加筋间距下细砂包芯路堤的边坡稳定安全系数均为1.71,分析原因是边坡加筋的加筋长度尚未延伸到细砂包芯路堤的滑裂面上,因此边坡加筋不能提高路堤的边坡稳定性。

采用通长加筋时,随加筋间距的增加,细砂包芯路堤边坡稳定安全系数逐渐减小。加筋间距为0.9 m时,路堤边坡的稳定安全系数为1.96,远大于《铁路路基设计规范》(TB10001-2016)中永久边坡最小安全稳定系数为1.15 的要求。因此,采用通长加筋,加筋间距为0.9 m时的细砂包芯路堤可以满足规范要求。

4 结语

综上所述,加筋长度相同时,不同加筋间距对细砂包芯路堤变形特性和边坡稳定性的影响较小;加筋间距相同时,通长加筋可以明显提高路堤的变形特性和边坡稳定性。因此,综合考虑工程技术和经济等因素,对边坡坡率为1∶1.75、高度≤4.5 m的铁路细砂包芯路堤,在选取基床底层卵砾石土包边尺寸时,建议从防风固沙的角度考虑,同时基床底层土工格栅采用通长铺设、加筋间距为0.9 m的工程方案。