地震作用下土石混合排土场垮塌机理分析*
时间：2022-12-06 17:35:03 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
奚文彬，张志刚，刘家俊
(河北省高速公路延崇管理中心，河北 张家口市 075400)
排土场是公路、铁路等修建过程中产生的土、石等废弃材料集中排放的场所。由于排土场中的废弃材料没有经过充分固结作用，颗粒与颗粒之间连接较为松散，因此，在内外动力作用下排土场极易发生诸如滑坡、垮塌等灾害。其中，地震以其迅发性、剧烈性对排土场稳定性的影响极大，在地震动力作用下，排土场堆排的散体物质极易产生横纵向位移和坍塌，对环境保护和高速公路的安全运营带来极大的安全风险。因此，开展地震作用下排土场稳定性及滑坡、垮塌的机理机制研究，具有十分重要的研究意义和工程应用价值。本文采用现场调研、现场试验和数值模拟相结合的手段，基于极限平衡理论和离散元理论，从宏细观角度针对地震作用下排土场边坡的垮塌机理进行研究。
对于排土场而言，其本质上也是边坡的一种，因此现今边坡失稳垮塌分析中的各种数值分析方法也同样适用于排土场的垮塌分析。近年来，国内外针对地震作用下边坡失稳特征分析的主要研究方法大体分为3 种：一种是基于拟动力法，从理论的角度计算边坡在地震作用下的土压力，从而得到边坡的失稳特征；
另一种是根据当地的地震记录，计算出设防的地震烈度，利用数值模拟软件模拟地震动力响应过程；
最后一种方法是利用大型振动试验台建立真实的边坡模型，模拟振动过程。Choudhury[1]、Basha[2]等采用拟动力分析方法计算了地震作用下边坡的土体压力，证明了拟动力方法在分析地震作用下边坡失稳特征的有效性。王环玲等[3]研究了岩质高边坡三维模型的破坏形态及变化过程。姜彤等[4]将LURR 理论利用到了边坡动力模型中，提出了新的适用于边坡地震边坡模型的分析方法。缪丹[5]以西南机场为研究对象，研究了在降雨及地震耦合情况下的高边坡稳定性变化特征。许强等[6]、黄润秋等[7]利用振动台研究了地震导致边坡滑塌得到机制成因。王俊萍[8]利用GEO-STUDIO软件和FLAC3D软件研究了暴雨+地震条件下的排土场边坡应力应变的变化规律。徐光兴等[9]、李振生等[10]、王斌等[11]均利用大型振动台模拟了边坡在地震过程中的动力作用。马恩帅等[12]借助GEOSTUDIO 软件分析了地震烈度及水库水位变化对边坡的作用机理。黄治文[13]利用振动试验台及FLAC3D软件模拟分析了平整度不同的地形在地震作用下对边坡的影响。刘毅[14]基于挡土墙的作用机理，考虑孔隙水压力的作用，模拟了地震对边坡作用的过程。
相较于传统的自然边坡，排土场边坡是由大量废石、废渣堆积形成的，缺乏致密结构排布，故而在分析排土场的垮塌机理或者失稳特征时应采用离散方法，若仍然采用连续介质力学方法进行求解，势必会对分析结果带来一定的影响。基于上述分析，本文采用颗粒流离散元分析方法对延崇高速排土场进行模拟计算分析，探究其在地震作用下的垮塌机理。
目前最为常用的颗粒流离散元软件为PFC，其通过将模型中塞满球形刚体，并控制各球形刚体之间以及球形刚体与墙实体单元的接触力，通过模拟接触之间的相互作用力，而近似模拟各刚体颗粒的运动和力学特征，从而达到解决非连续变形的问题。
1.1 细观参数标定
本文采用颗粒流离散元软件PFC 进行模拟分析，由于颗粒流离散元需要键入细观参数，而采用大型直剪仪获取的排土场的土石混合体物料的强度参数为宏观物性参数，因此，需要将颗粒流离散元计算分析中的细观参数（如颗粒刚度、颗粒之间黏结强度、颗粒与颗粒的摩擦系数、颗粒粒径等）与大型直剪仪试验确定的宏观力学参数（如内摩擦角φ，变形模量E，剪切强度）进行标定。本文采用双轴模型试验对参数进行标定，如图1 所示。
图1 双轴模型试验
分别赋予颗粒相应的细观参数，并在模型两侧施加不同围压(本文采用100 kPa，150 kPa 和200 kPa)，得到典型不同摩擦系数下偏应力－应变曲线。由模拟结果可知，不同摩擦系数下土石混合料的切线弹性模量相同，颗粒间的强度由接触黏结所决定，与摩擦系数无关；
而当颗粒与颗粒之间的接触黏结被破坏后，峰值强度则明显会随摩擦系数的增加而增大。
通过试算，将每一组细观参数与对应不同围压得到的摩尔圆绘制出来，然后根据相应的强度包线反算宏观参数。通过与表1 的宏观参数进行比对，参考宏细观参数定量关系式，得到排土场土石混合体物料的细观参数，见表2。
表1 延崇高速桃韭梁排土场土石混合体力学参数
表2 延崇高速桃韭梁排土场土石混合体颗粒细观参数
1.2 建模过程
采用颗粒流离散元建立排土场边坡模型的过程包括：颗粒生成、确定边界条件、设置模型初始条件、赋予材料属性和接触类型、施加力、解算等流程，图2 为基于颗粒流离散元法的三维排土场建模过程。
图2 颗粒流算法的计算流程
延崇高速桃韭梁排土场具有三级边坡，如图3所示。根据排土场的实际尺寸参数和样式，基于颗粒流离散元法建立离散元数值计算模型，如图4 所示。在模型建立过程中，颗粒通过自重作用自动填充在矩形区域中，然后根据桃韭梁排土场的形状将多余颗粒删除，得到颗粒流离散元排土场计算模型。
图3 桃韭梁排土场边坡
图4 颗粒流形成的排土场边坡模型
本文以地震工况为例，对该排土场的稳定性展开分析，相应的地震条件采用EL-Centro 地震波。图5 为地震持续时间为26 s 的地震波图像。
图5 持续时间为26 s 的EL-Centro 地震波波形图
桃韭梁排土场边坡内部结构变形的位移云图见图6 至图7，其中图6 为水平方向(x方向)位移变化云图，图7 为竖直方向(z方向)位移变化云图。地震的持续时间分别为2 s、13 s 和26 s。
从图6 至图7 可以看到，在地震作用下，排土场边坡发生了严重的垮塌。当地震的持续时间为2 s时，排土场顶部已经出现了向下垮塌的趋势，这是由于地震的持续震动，并且土石混合体之间结构松散，使得排土场顶部出现垮塌的趋势。随着地震持续时间的增加，土石混合体在地震力的作用下发生重排列，排土场边坡呈现出向四周垮塌的趋势，并逐渐垮塌。因此，由图6 至图7 中的（c）、（d）图可以看到，无论在水平方向还是在竖直方向，随着地震时间的增加，排土场边坡向四周出现失稳垮塌。选取坡顶和一级台阶处的2 个特征点，绘制其在地震作用下竖向位移（z方向）的变化趋势（见图8）。从图8 可以看到，在竖向地震作用下排土场被抛起，在反复的地震力作用下，坡顶处的垮塌更加严重，从而也证实了地震作用下排土场自坡顶向下四处垮塌的事实。
图6 地震条件下排土场边坡的位移云图(x 方向)
图7 地震条件下排土场边坡的位移云图(z 方向)
图8 26 s 地震作用下特征点竖向位移变化趋势
根据以上模拟结果，需要对排土场边坡进行防护，防止在地震中出现大规模的垮塌事故。对于排土场边坡的防护，一般采用“截、排、挡”相结合的方法：一是尽量减少水进入排土场中，尽可能降低水对土石混合体的扰动作用；
二是在排土场四周建立挡土墙，从而防止排土场边坡发生大规模的垮塌。
以延崇高速桃韭梁排土场为算例，采用颗粒流离散元方法建立了地震下排土场边坡的三维模型，并分析了其稳定性和内部结构的变形情况，得到的主要结论如下：
（1）采用颗粒流离散元方法进行计算时，需要采用双轴试验将宏观参数转化为细观参数，从而实现颗粒流离散元计算中的细观参数输入；
（2）对地震条件下桃韭梁排土场边坡稳定性进行计算，证实了排土场边坡存在大范围垮塌的风险，破坏模式主要为土石混合体顶部的垮塌以及各台阶排土场边坡向四周的扩散；
（3）虽然地震在该地区未必发生，但是对于排土场边坡而言，由于颗粒与颗粒之间的相互作用力较弱，易受到地震力或其他振动力的影响，因此，对于排土场边坡的防护工作仍然不能忽略。
猜你喜欢 土石边坡颗粒 水利工程施工中高边坡开挖与支护技术的应用建材发展导向(2022年20期)2022-11-03颗粒间距对煤粉颗粒着火和燃烧行为影响的理论研究煤炭学报(2022年4期)2022-05-28建筑施工中的边坡支护技术探析建材发展导向(2022年4期)2022-03-16土木工程施工中的边坡支护技术分析建材发展导向(2021年22期)2022-01-18颗粒浓度对半计数法颗粒尺寸校准结果的影响汽车零部件(2021年12期)2021-12-29边坡控制爆破施工科学与财富(2021年36期)2021-05-10制何首乌颗粒的质量标准研究中国民族民间医药·下半月(2014年4期)2014-09-26镇咳宁颗粒的质量标准研究中国民族民间医药·下半月(2014年4期)2014-09-26
