公路跑道粉砂土路基地震液化及穩(wěn)定性研究

鄭元勛，黃靜卿

（鄭州大學 水利與環(huán)境學院，河南 鄭州450002）

0 引言

公路跑道兼有交通戰(zhàn)備項目的應急機場功能和高速公路項目的地面交通功能，公路跑道項目的修建是一項社會經濟發(fā)展規(guī)劃與國防交通運輸保障相結合的工程，是在交通建設貫徹國防要求的具體體現(xiàn).粉砂土路基的穩(wěn)定性對高路公路及公路跑道的服務質量及使用壽命具有重要的影響，且粉砂土在動力及地震荷載作用下易發(fā)生液化現(xiàn)象，進而導公路及公路跑道的破壞［1－5］.研究表明，目前，國內外針對粉砂土的研究多集中在粉砂土路基施工技術及檢測方法［6－10］、粉砂土路堤累積變形及變形指標和粉砂土路基凍脹性能的研究等［11－13］，而針對粉砂土路基地震液化及穩(wěn)定性研究、尤其是涉及到公路跑道粉砂土路基地震液化及穩(wěn)定性的研究相對匱乏，因此，開展公路跑道粉砂土路基地震液化及穩(wěn)定性研究具有非常重要的理論和現(xiàn)實意義.

1 公路跑道粉砂土路基數(shù)值模型的建立

1.1 模型參數(shù)設置

以鄭民高速公路為例，根據勘察報告，場地鉆探深度范圍主要由粉砂、粉土組成，本區(qū)第①②層為局部可液化地層，綜合判定該場區(qū)液化等級為輕微.

開封市抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.1 g，設計地震分組為第一組，擬建物抗震設防類別為丙類.20 m內波速在140～250 m／s，場地類別為3類，場地特征周期為0.45 s.根據場區(qū)地質、地形、地貌條件判別，該區(qū)屬建筑不利地段.地下水位埋深1.7～1.8 m，年變幅1 m左右.

取泊松比μ＝0.35，根據勘察得到的剪切波速反算得路基土剪切模量G＝30.38 MPa，體積模量B＝91.14 MPa，同理取路堤土剪切模量G＝35.67 MPa，體積模量B＝107.02 MPa.根據經驗取路堤土的黏聚力c＝20 k Pa，摩擦角φ＝28°，路基土的黏聚力c＝10 k Pa，摩擦角φ＝23°.

1.2 模型尺寸確定、邊界條件處理

計算時取路寬28.5 m，路堤高3 m，坡度1∶3.計算域水平方向從路堤坡腳向兩側各取45 m，向下取25 m.考慮到場地類別為3類，特選取地震波輸入為：1994年6月17日的NORTHRIDGE EARTHQUAKE（圖1），并峰值分別調整0.1 g.

計算時，第一步先施加固定邊界約束，保證模型在平面應變下進行靜力計算，即僅在重力作用下算至平衡.圖2為計算網格，圖3和圖4分別為初始孔壓和初始豎向應力云圖.

數(shù)值模擬采用瑞利阻尼.瑞利阻尼需要設置兩個參數(shù)：模型的臨界阻尼比和基頻（一階固有頻率）.模型固有頻率的確定可以通過對模型在只有重力加速度的情況下進行動力模擬，顯示在一定時步內模型中某點的速度或位移關于時間的曲線，即估計得到模型固有頻率的大約值.這里取主頻2.22的0.5%作為瑞利阻尼參數(shù)，并取計算時間40 s.然后將地震動荷載的加速度時程離散為數(shù)據表（Table）的形式.由于本模型底面設置了完全不反射的安靜邊界，所以需將加速度時程經頻域一次積分得到速度時程，然后轉換為應力時程從模型底面輸入.

判斷液化區(qū)域時，當計算單元的有效應力小于等于零或動抗剪強度小于動剪應力時即可認為該單元發(fā)生液化.

2 庫倫模型的地震分析

整個計算域內的土體采用庫侖模型來處理.地震作用導致的動態(tài)體積變化能使這些材料中的孔隙水壓力發(fā)生改變，然而，也能因顆粒重組導致孔隙水壓力不發(fā)生變化，為了能使孔隙水壓力隨體積而改變，必須指定水體積模量的實際值，本文設置為2×109Pa，這樣設置考慮了土體中所含空氣的影響.此階段，假定動態(tài)激勵過程存在的時間遠小于孔隙水壓力消散所需時間，因此此階段不使用地下水流動模型.

圖5為路堤底部中點的超孔壓隨時間的變化圖.該圖表明，路基內孔壓累積不多，25 s后已幾乎不再變化.圖6為路面中點相對于模型底部的水平位移和豎向位移.很明顯，40 s后路面位移趨于零.圖7為計算結束（40 s）時豎向有效應力分布云圖.該圖表明，整個計算域內有效應力都處于壓縮狀態(tài)，按照土力學的定義，即有效應力都大于零，沒有出現(xiàn)孔隙壓力超過（或等于）正應力的情況，即不會出現(xiàn)液化現(xiàn)象.但圖8表明，路堤坡腳處附近在地震過程中可能瞬時處于屈服狀態(tài).

3 Byrne模型的地震分析

將原地面下6 m內路基土改為Byrne液化模型，參數(shù)參照標準貫入試驗取值，當標準錘擊數(shù)小于15 擊時，Byr ne參數(shù)為：C1＝0.294 7，C2＝1.357.

圖9為路堤底部中點的超孔壓隨時間的變化圖.很明顯，路基內孔壓累積較多，大約在12 s時，此處累計超孔隙水壓約55 k Pa；以后略有消散，但在計算結束（40 s）時仍有約50 k Pa，即大部分都沒有消散.圖10為40 s內路面中點相對于模型底部的水平位移和豎向位移變化情況.該圖表明，約6 s后，路面產生了豎向的永久變形，并且該豎向變形在6～12 s內隨時間而迅速增大，以后漸趨穩(wěn)定，計算結束時，其值約為8～9 mm.

圖9 路堤底部中點的超孔壓隨時間的變化圖Fig.9 The versus time diagram of the excess pore pressure of the midpoint of the embank ment bottom

圖10 40 s內路面中點相對于模型底部的水平位移和豎向位移Fig.10 The road midpoint relative to the horizontal displacement and vertical displacement of the model bottom within 40 s

圖11 為40 s時計算域內的豎向有效應力分布云圖.該圖表明，路堤下較大范圍內豎向有效應力值偏小，有液化可能.這也可從示于圖12的計算域豎向對稱線上的水平向有效應力分布曲線得到驗證：在路面下9 m以內水平向有效應力不足5 k Pa.

4 地震強度影響分析

為考察地震強度的影響，這里也分別將地震加速度峰值調整為0.05 g和0.2 g進行了計算.

圖13～16為加速度峰值為0.05 g的計算結果.圖13表明，路堤內孔壓在約12 s內累積很快，但隨后基本穩(wěn)定，直至計算結束，但最大僅約24 k Pa，不足加速度峰值為0.1 g時的一半.圖14表明，路面豎向永久位移很小.圖15表明，盡管計算域內豎向對稱面上的水平向有效應力在路面下3～9 m內有所減小，但都仍然較大.圖16表明，路堤邊坡在坡面附近有可能瞬時出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，但整體看，破壞區(qū)范圍遠沒有加速度峰值為0.1 g時大.

圖17～圖19為加速度峰值調整為0.2 g時的計算結果.圖17為路堤底部中點超孔壓的累積變化規(guī)律曲線.該圖與加速度峰值為0.1 g的規(guī)律相似，即在約12 s時孔壓累積到最大值約53 kPa，以后孔壓稍有消散并趨于穩(wěn)定，最后約為44 k Pa.圖18表明，路面產生了較大的永久變形，其中路面中點豎向沉降最大可達約45 mm，約為加速度峰值0.1 g時的5.5倍.圖19表明，路堤內部以及路基下一定范圍內的水平向有效應力明顯偏小，特別地，對稱面上路面下9 m以內的水平向有效應力值都沒有超過10 k Pa，這說明，存在液化的可能.

5 結論

（1）地震分析表明：當只考慮路堤下粉土為庫倫模型時，路基不會出現(xiàn)液化，但是路基坡腳處可能出現(xiàn)瞬時屈服.

（2）當考慮路堤材料為液化模型時，路面有可能處于受拉狀態(tài)，路堤底部有可能屈服，路基土有可能產生液化.

（3）隨著加速度峰值的增加，路堤內拉力區(qū)和屈服區(qū)的范圍增大，液化出現(xiàn)的可能性也增大.特別地指出，當?shù)卣鸺铀俣冗_到0.1g時，并不能完全排除路基土液化的可能性.

［1］ CHEN H J，LIU S H.Slope failure characteristics and Stabilization methods［J］.Canadian Geotechnical Jour nal，2007，44（4）：377－391.

［2］ ZHENG Yuan－xun，KANG Hai－gui，Cai Yingchun，et al.Effects of temperat ure on the dynamic properties of asphalt mixtures［J］.Jour nal of Wuhan University of Technology－Mater.Sci.Ed.，2010，25（3）：534－537.

［3］ 程培峰，徐云哲.基于ABAQUS的包邊粉砂土路堤邊坡穩(wěn)定性分析［J］.公路，2011（11）：21－24.

［4］ 蔣鑫，凌建明，譚煒，等.高速公路填砂路基邊坡穩(wěn)定性分析［J］.鐵道工程學報，2008（9）：1－5.

［5］ 中華人民共和國交通部.JTJ E60－2008公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程［S］.北京：人民交通出版社，2008.

［6］ 王峰.粉砂土路基的成型工藝與現(xiàn)場檢測技術的研究［D］.沈陽：東北林業(yè)大學土木學院，2010.

［7］ 李強.路基路面檢測技術與質量控制［D］.西安：長安大學交通學院，2002.

［8］ 申愛琴，鄭南翔，蘇毅，等.含砂低液限粉土填筑路基壓實機理及施工技術研究［J］.中國公路學報，2000，13（4）：12－15.

［9］ 林龍.粉砂土的壓實特性與路堤沉降預測方法研究［D］.長沙：湖南大學土木學院，2008.

［10］張宏博，黃茂松，宋修廣.循環(huán)荷載作用下粉砂土路基累積變形試驗研究［J］.公路交通科技，2009（9）：22－25.

［11］嚴戰(zhàn)友，趙國芳，張永滿.砂性土高速公路路基力學與變形指標的分析［J］.公路交通科技：應用技術版，2009（3）：90－93.

［12］肖軍華，周順華，韋凱.列車振動荷載下鐵路粉土路基的長期沉降［J］.浙江大學學報：工學版，2010，44（10）：1913－1918.

［13］程培峰，宇德忠，徐云哲.季凍區(qū)粉砂土凍脹試驗及路基凍脹模型［J］.中外公路，2011（2）：20－22.