基于兩種方法的鐵路隧道棄渣場抗滑穩(wěn)定性分析

鄭良靜

(中鐵二十一局集團有限公司 甘肅蘭州 730070)

1 前言

隧道棄渣場一般由開挖隧道所排出的松散土體、碎石等物質(zhì)組成，具有非飽和、欠密實、多孔隙等結(jié)構(gòu)特點；強度較低，容易產(chǎn)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，對其下方建筑物、公用設(shè)施以及居民的生命財產(chǎn)安全等都存在著巨大威脅[1]。棄渣堆積體穩(wěn)定性主要受堆積體幾何形態(tài)、物理力學(xué)性質(zhì)和下伏基巖產(chǎn)狀及物理力學(xué)性質(zhì)、地表水及地下水等因素影響。穩(wěn)定分析方法主要有工程地質(zhì)法、傳統(tǒng)極限分析法以及數(shù)值極限分析法[2]。

通常邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)與滑動面位置關(guān)系密切[3]，張昊[4]等以均質(zhì)邊坡為例采用強度折減法計算分析了邊坡穩(wěn)定過程中安全系數(shù)和滑動面之間的關(guān)系。李建朋[5]等基于臨界狀態(tài)速度場的分析，提出了一種新的邊坡臨界狀態(tài)滑動面確定方法。

隧道棄渣堆積體多孔多相不均勻，結(jié)構(gòu)松散欠密實，傳統(tǒng)方法在確定破壞面形態(tài)方面存在困難[6]。劉建偉[7]等通過采集測定坡面不同位置處棄渣容重、含水量、飽和導(dǎo)水率、飽和含水量、砂粒含量、碎石含量等物理指標和直剪試驗，分析了棄渣場邊坡穩(wěn)定性特征。楊華清[8]以云南省華麗高速26號合同段棄渣場為例研究了粒組級配、最終堆積形態(tài)及棄渣場穩(wěn)定的關(guān)系。數(shù)值計算方面，田永鑄[9]針對中南部鐵路通道沿線某一黃土隧道棄渣場，通過現(xiàn)場勘查及已有相關(guān)資料，結(jié)合室內(nèi)外土工試驗，運用理論分析方法，對該棄渣場的穩(wěn)定性進行計算與分析。毛雪松[10]等以某新近堆積棄渣場為例，采用非飽和滲流研究方法，基于GeoStudio軟件中的SEEP/W和SLOPE/W模塊對其滲流場及不同工況下的穩(wěn)定性進行分析。孫朝燚[11]等通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和區(qū)域劃分，借助基于強度折減法的有限元軟件分析棄渣場邊坡穩(wěn)定性和潛在破壞機制，以此研究棄渣場走向夾角對其潛在破壞機制的影響。本文以新建鐵路敦格線闊克薩隧道棄渣場為例，介紹一種較為實用且穩(wěn)妥的計算棄渣場抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的方法。

2 工程概況

新建鐵路敦格線闊克薩隧道段區(qū)域隸屬于甘肅省阿克塞縣，隧道洞身穿過當金山脈。闊克薩隧道棄渣場位于闊克薩隧道出口DIK191＋600右側(cè)荒溝內(nèi)。棄渣場設(shè)計棄渣量約4.87萬m3，占荒溝9.57畝。棄渣場前緣高度約為8 m，坡度約45°，棄渣堆坡頂平臺寬度約為43 m。坡腳采用擋墻防護，擋墻高8 m，基礎(chǔ)埋深2 m。擋墻頂部設(shè)置一個寬為10 m的平臺，棄渣堆邊坡前緣無人員活動場所和設(shè)施，至2019年邊坡已穩(wěn)定存在五年。

棄渣場平均海拔約2 858 m，最高海拔2 888 m。棄渣場所在區(qū)域為中溫帶干旱氣候區(qū)，降水量小，蒸發(fā)量大，冬冷夏熱，空氣干燥。年平均氣溫3.1℃，年平均降水量127 mm，年平均蒸發(fā)量3 297.9 mm。土壤最大凍結(jié)深度235 cm。棄渣場范圍未見地表水，偶見有積雪融水，隧道洞身及附近未見地下水出露。地下水類型為第四系潛水及基巖裂隙水，補給主要靠大氣降水及地表徑流，排泄以蒸發(fā)和地下徑流為主。

闊克薩隧道棄渣以斷層角礫、碎裂巖為主。斷層角礫呈灰白色、青灰色，尖棱狀～棱角狀，成分以石英片巖為主，粒徑2～20 mm的含量約為50%，20～60 mm的占5% ～15%，粉土、砂土充填，局部可見輕微泥砂質(zhì)膠結(jié)，角礫手可捏碎，夾斷層泥，稍濕，密實；碎裂巖呈棕紅色，原巖為泥巖夾礫巖，成分以黏土礦物為主，洞身段碎裂巖為灰黑色、青灰色，表面局部呈銹黃色，原巖為石英片巖，成分以石英、云母等為主，巖質(zhì)受構(gòu)造影響破碎不均，局部呈巨塊狀，大部呈碎石狀、角礫狀。

棄渣場地基為粉土，灰黃色，土質(zhì)不均，含少量礫石，表層含植物根系，稍濕。

3 棄渣場邊坡穩(wěn)定性分析

棄渣場抗滑穩(wěn)定性計算一般采用瑞典圓弧法，對于均質(zhì)渣體推薦使用簡化畢肖普法，對于有軟弱夾層的渣場，宜采用摩根斯頓-普賴斯(M-P)法計算[12]。本棄渣場棄渣組分多元，為非均質(zhì)渣體。為保證計算分析的可靠性，首先采用強度折減法進行邊坡穩(wěn)定性分析，確定臨界滑動面形態(tài)，然后采用傳統(tǒng)極限平衡法中的M-P法計算典型剖面的安全系數(shù)，并將二者計算結(jié)果進行比較。

3.1 計算工況

本棄渣場場地所在位置處于Ⅵ度烈度區(qū)，依據(jù)規(guī)范不需要考慮地震對棄渣場穩(wěn)定性的影響。同時本地區(qū)屬于典型的干旱地區(qū)(年降雨量不足200 mm)，且淺層無地下水分布，也無需考慮滲流工況或降雨工況下的邊坡穩(wěn)定性。因此，計算工況僅需考慮采用自然狀態(tài)下巖土體物理力學(xué)參數(shù)分析棄渣場邊坡穩(wěn)定性。

3.2 計算坡面選取

根據(jù)現(xiàn)場實地測量，形成棄土堆坡面三維地形圖，并選取坡度最大截面為穩(wěn)定性分析的計算剖面。剖面尺寸見圖1。

圖1 計算剖面(單位:m)

闊克薩隧道棄渣場實際棄渣量約5萬m3，最大堆渣高度約38 m，渣場失事對主體工程或環(huán)境造成的危害程度較輕，判別該棄渣場為4級棄渣場，計算參數(shù)如表1所示。

表1 巖土體及擋墻物理力學(xué)參數(shù)

3.3 強度折減法計算模型及分析結(jié)果

計算模型如圖2所示，整個模型共劃分4 996個單元，其中地層3 615個單元，棄渣堆1 352個單元，擋墻29個單元，均采用平面應(yīng)變CPE4單元。土體和擋墻均采用摩爾-庫倫模型，為防止滑動面穿過擋墻，擋墻混凝土材料的黏聚力和內(nèi)摩擦角取較大數(shù)值。棄渣堆與地層邊界采用非光滑面-面接觸，棄渣堆與擋墻邊界采用Tie連接，地層與擋墻部分邊界采用非光滑面-面接觸，部分采用Tie連接。外部邊界條件如圖2所示。

塑性變形云圖見圖3?？梢钥闯?，當強度折減系數(shù)為1.504時，擋墻處開始出現(xiàn)較大塑性應(yīng)變，整個擋墻在墻后邊坡的擠壓作用下發(fā)生繞墻踵的轉(zhuǎn)動位移，導(dǎo)致墻后及墻趾處塑性變形較大；當強度折減系數(shù)增大到1.642時，塑性區(qū)范圍進一步擴大，滑動面尚未形成，但可見其繞過擋墻根部，由墻踵出發(fā)，逐漸向墻后棄渣堆積體內(nèi)部發(fā)展，如圖4所示；當強度折減系數(shù)進一步增大到1.678時，塑性區(qū)擴展到棄渣堆積體第一級平臺頂部，從而在渣堆內(nèi)部形成了一條貫通的滑動面，如圖5a所示。

圖2 有限元計算模型

圖3 塑性應(yīng)變云圖(折減系數(shù)＝1.504)

圖4 塑性應(yīng)變云圖(折減系數(shù)＝1.642)

圖5 塑性應(yīng)變云圖(折減系數(shù)＝1.678)

由圖5b可見，擋墻前側(cè)、墻蹱處以及墻背土體均出現(xiàn)塑性區(qū)，且墻背塑性區(qū)呈倒三角形，表明擋墻既有平動位移也發(fā)生了轉(zhuǎn)動位移。渣堆體下部滑動明顯，越往上，變形逐漸減小。

計算結(jié)果表明，當折減系數(shù)為1.642時(見圖6)，擋墻頂部水平位移出現(xiàn)突增，即強度折減系數(shù)取為1.642時，邊坡處于臨界平衡狀態(tài)。表明棄渣場邊坡具有一定的強度儲備。

圖6 擋墻頂部水平位移(U1)隨折減系數(shù)的變化

3.4 極限平衡法計算模型及分析結(jié)果

基于強度折減的有限元法結(jié)合彈性數(shù)值分析進行邊坡穩(wěn)定性評估，具有較高精度，但數(shù)值分析不能獲得巖土的破壞狀態(tài)與破壞面，因而無法求出極限荷載與穩(wěn)定安全系數(shù)[12]。采用傳統(tǒng)極限平衡法計算出臨界滑動面的穩(wěn)定安全系數(shù)，但是確定具有最小安全系數(shù)臨界滑動面的位置是極限平衡法的關(guān)鍵。臨界滑動面的位置及形態(tài)與地層分布、渣堆體及地層的物理力學(xué)性質(zhì)等諸多因素有關(guān)，很難通過搜索確定可信的臨界滑動面。如果將基于強度折減的數(shù)值法與基于極限平衡的傳統(tǒng)分析法結(jié)合起來，就可以確定出破壞面，也可以求出穩(wěn)定安全系數(shù)。

傳統(tǒng)的極限平衡法計算模型采用相同的物理力學(xué)參數(shù)和幾何尺寸，模型如圖7所示。根據(jù)強度折減法分析的破壞面形態(tài)和位置，在極限平衡法中采用指定滑動面入口和出口的方式搜索臨界滑動面，滑動面為圓弧面，條間力函數(shù)采用半正弦函數(shù)，分析結(jié)果安全系數(shù)為1.777。臨界滑動面形態(tài)見圖8，可見與強度折減法計算結(jié)果大體相近。根據(jù)規(guī)范，4級棄渣場正常運用抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)須大于1.2，因此可判定該邊坡抗滑穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

圖7 極限平衡法計算模型

圖8 臨界滑動面形態(tài)

采用M-P法收斂情況如圖9所示。M-P法通過引入系數(shù)λ和條間力函數(shù)建立條間豎向力和水平力之間的約束關(guān)系，使得靜力平衡方程完備。當λ＝0時，M-P法力矩平衡退化為簡化Bishop法(對應(yīng)的安全系數(shù)為1.774)，力平衡退化為簡化Janbu法(對應(yīng)的安全系數(shù)為1.646)。

圖9 安全系數(shù)隨λ變化情況

4 結(jié)束語

綜上所述，規(guī)范推薦采用傳統(tǒng)極限分析法求解棄渣場穩(wěn)定安全系數(shù)，但由于棄渣堆積體通常成分復(fù)雜，傳統(tǒng)方法并不能完全適應(yīng)，特別是在臨界滑動面的位置和形態(tài)確定方面存在困難。因此對于棄渣場邊坡抗滑穩(wěn)定問題，建議首先應(yīng)用基于強度折減法的有限元分析初步確定破壞面形態(tài)，然后根據(jù)破壞面的形態(tài)利用傳統(tǒng)方法求解穩(wěn)定安全系數(shù)。