地裂縫對高速鐵路橋梁的破壞機理研究

張茵濤，張 晨，黃強兵

(1.大西鐵路客運專線有限責(zé)任公司，山西太原 030027;2.鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251;3.長安大學(xué)，陜西 西安 710064)

隨著高速鐵路的大量建設(shè)，各種地質(zhì)災(zāi)害逐漸顯露出來，其中活動性地裂縫是最為嚴重的一種災(zāi)害。由于高速鐵路對軌道平順性和精度要求極高，活動性地裂縫對于高速鐵路的影響十分突出。

國外對地裂縫問題的研究以美國開展得最廣泛，研究的程度較深。早在20世紀20年代后期，美國學(xué)者就開始了地裂縫問題及其成因的研究，至今已形成三種不同的觀點:構(gòu)造成因、地下水開采成因和構(gòu)造與地下水開采復(fù)合成因。其他國家如土耳其、泰國、墨西哥、澳大利亞以及非洲的肯尼亞、埃塞俄比亞等也先后發(fā)現(xiàn)了地裂縫問題，但與美國相比，其研究程度相對較低。

我國是地裂縫災(zāi)害最為嚴重的國家之一，首例地裂縫是20世紀50年代末在陜西省西安市西北大學(xué)校園內(nèi)發(fā)現(xiàn)的[1]。80年代以來我國地裂縫迅速增加，其分布之廣、發(fā)展之快、危害之大，令人震驚[2-5]。分布范圍遍及全國各省，其中華北地區(qū)的地裂縫災(zāi)害最為嚴重。田級生等[6]對河北平原地裂縫進行了成因類型分類;李俊等[7]對河北平原地裂縫分布規(guī)律及成因進行了分析，認為河北平原地裂縫的成因是以構(gòu)造運動、地震為主導(dǎo)因素，水的活動為誘發(fā)因素，地形地貌、土體巖性為影響因素。

1 物理模型試驗

1.1 試驗?zāi)康?/h3>

為了揭示地裂縫的影響機理，通過幾何比例尺1∶20、高速鐵路橋梁45°穿越地裂縫帶的物理模型試驗，重點研究地裂縫不同活動量作用下高速鐵路橋梁中的應(yīng)力變化規(guī)律、橋梁變形破壞區(qū)范圍和失穩(wěn)特征，以及橋梁與軌道二者之間的相互作用，分析活動地裂縫作用下高速鐵路橋梁與軌道變形破壞的響應(yīng)關(guān)系，確定地裂縫作用下橋梁及軌道的變形失穩(wěn)模式，為高速鐵路橋梁跨越地裂縫地段的工程防治措施提供科學(xué)依據(jù)。

1.2 試驗原理及裝置

1)試驗原理

高速鐵路沿線地裂縫的活動方式是上盤以近垂直向為主的沉降運動，下盤略為上升或穩(wěn)定不動，具有正斷層性質(zhì)。其過程較為緩慢，且具有隨時間累積的特征。在淺地表剖面上地裂縫面是一個剪切薄弱面。試驗?zāi)Ｐ拖鋬蓚?cè)用鋼結(jié)構(gòu)組成的支撐結(jié)構(gòu)施以水平約束。為了便于觀察試驗過程，其中一側(cè)使用鋼結(jié)構(gòu)與鋼化玻璃組成的支撐結(jié)構(gòu)作為水平約束。試驗開始之前將所有底部沉降平臺的千斤頂升高15 cm，試驗過程中模型下盤千斤頂不動，人為控制上盤千斤頂?shù)南陆担┘由媳P下降的位移邊界條件來模擬地裂縫的活動。

2)試驗裝置

圖1 地裂縫與高鐵路基試驗?zāi)Ｐ褪疽?單位:mm)

試驗?zāi)Ｐ腿鐖D1所示，本次模型試驗在長安大學(xué)大型物理模型試驗中心地裂縫活動試驗箱上進行，試驗設(shè)備由升降系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)組成。升降系統(tǒng)由14個量程30 t的千斤頂組成，其中7個千斤頂位于上盤，另外7個千斤頂位于下盤，上盤千斤頂用于控制地裂縫升降，下盤千斤頂主要起到支撐作用。可根據(jù)地裂縫與高速鐵路線路夾角大小控制千斤頂位置，通過升降系統(tǒng)可以控制沉降平臺的下降速度，模擬地裂縫上盤下降。支撐系統(tǒng)由試驗底部平臺與其兩側(cè)鋼結(jié)構(gòu)側(cè)板組成。監(jiān)測系統(tǒng)包括監(jiān)測元件和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，試驗中使用的監(jiān)測系統(tǒng)包括高程監(jiān)測裝置、應(yīng)變傳感器、鋼弦式壓力盒等。高程監(jiān)測數(shù)據(jù)由DS3水準儀采集，應(yīng)變式測試元件數(shù)據(jù)由DH3816數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集，鋼弦式壓力盒數(shù)據(jù)由SZZX-ZH型讀數(shù)儀采集。試驗系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 模型試驗系統(tǒng)

1.3 試驗結(jié)果分析

1)鋼筋混凝土樁端應(yīng)力分析

圖3為橫向CFG樁樁端壓力變化曲線，由圖可知，隨地裂縫上盤沉降量(即地裂縫位錯量)的增加，樁端壓力主要表現(xiàn)為下盤最靠近地裂縫的樁端壓力增加明顯，有應(yīng)力集中的趨勢。

2)樁間土壓力分析

圖4為地裂縫不同位錯作用下沿路基橫向樁間土壓力的變化曲線。與樁端壓力相比，樁間土所受壓力要明顯小得多，說明CFG樁承擔(dān)了較多的上部荷載。各樁樁間土所受的壓力差較各樁樁端壓力差小，說明隨著沉降量的增大，樁間土壓力變化較小。

3)道床板應(yīng)變分析

道床板應(yīng)變變化曲線如圖5所示。通過分析可得道床板縱向整體受壓，且靠近地裂縫處受壓較大，說明地裂縫活動對靠近地裂縫處的道床板影響明顯。

圖3 橫向CFG樁樁端壓力變化曲線

圖4 橫向樁間土壓力變化曲線

圖5 道床板應(yīng)變變化曲線

4)軌道應(yīng)變分析

軌道應(yīng)變變化曲線如圖6所示。可見，YBZ7縱向測線對應(yīng)的軌道整體受壓，YBZ9縱向測線對應(yīng)的軌道上盤受拉，下盤受壓，說明軌道會發(fā)生扭曲變形。

圖6 軌道應(yīng)變變化曲線

5)水準高程變化分析

箱梁、道床板和軌道縱向測線測點高程變化見圖7，可知，跨過地裂縫的箱梁、道床板和軌道水準高程變化梯度大，而沒有跨過且遠離地裂縫的箱梁、道床板和軌道水準高程基本不變，這說明地裂縫活動對跨越地裂縫的箱梁影響較大，而對未跨越地裂縫的橋梁影響不大，甚至可忽略不計。

圖7 箱梁、道床板和軌道縱向測線測點高程變化曲線(XL代表箱梁，DL代表道床板，GL代表軌道)

2 結(jié)論

通過幾何比例尺1∶20的物理模型試驗，研究了活動地裂縫對與地裂縫小角度相交的高速鐵路的影響，得出如下結(jié)論:

1)隨地裂縫上盤沉降量的增加，樁端壓力主要表現(xiàn)為上盤減小，靠近地裂縫處較為明顯，下盤靠近地裂縫處樁端壓力明顯增大，具有應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2)當(dāng)?shù)亓芽p垂直位錯量達到2 cm時，地表出現(xiàn)開裂，位于上盤靠近裂縫處，走向與裂縫基本一致。

3)當(dāng)?shù)亓芽p垂直位錯量達到3 cm時，軌道道床板靠近地裂縫處開始出現(xiàn)裂縫，裂縫近于垂直道床板;當(dāng)沉降量達到4 cm時，裂縫貫穿道床板。

4)隨著地裂縫的活動，跨過地裂縫的箱梁、道床板和軌道高程變化梯度大，而未跨過地裂縫的高程基本不變，說明地裂縫活動對跨過地裂縫的箱梁、道床板和軌道影響較大，而對未跨過的影響不大，甚至可以忽略。

[1]劉國昌.西安的地裂縫[M]//劉國昌.劉國昌工程地質(zhì)文集.陜西:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1992:259-271.

[2]李樹德，袁仁茂.大同地裂縫災(zāi)害形成機理[J].北京大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2002，38(1):104-108.

[3]王景明.地裂縫及其災(zāi)害的理論與應(yīng)用[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2000.

[4]彭建兵，范文，黃強兵.西安市城市快速軌道交通二號線穿過地裂縫帶的結(jié)構(gòu)措施專題研究[R].西安:長安大學(xué)，2006.

[5]李國和，張建民，許再良，等.華北平原地面沉降對高速鐵路橋梁工程的影響[J].巖土工程學(xué)報，2009，31(3):346-352.

[6]田級生，王慶錄.河北平原地裂縫形成機制與防治[J].河北科學(xué)院學(xué)報，2003，20(3):187-192.

[7]李俊，劉金峰，莫多聞.河北平原地裂縫的分布規(guī)律及成因初探[J].水土保持研究，2003，10(3):62-65，116.