地震作用下滬昆客專路塹邊坡動力響應分析

冉崇慶

(中鐵十六局集團第三工程有限公司，浙江 湖州 313000)

隨著國家對高速鐵路建設的大力扶持,在國家發布的《中長期鐵路網規劃》中,中國的高速鐵路網規劃由原先的“四縱四橫”變成了現在的“八縱八橫”,越來越多的高速鐵路由原先的東部平原地區向西部復雜地形的山區擴展,高路塹和高路基問題越來越成為制約鐵路發展的突出問題;加之西部地區多處于高烈度斷裂帶上,地震作用下邊坡的動力響應分析成為研究的熱點。

目前,眾多學者都對邊坡的動力響應問題進行了研究,陳曉利[1]利用有限元分析軟件FEPG及其后處理GID軟件,對5. 12汶川地震中硬巖地區出現的斜坡破壞現象進行了水平方向和垂直方向2種不同周期震動加載方式下坡體內位移場和應力場的變化規律的數值模擬。宋健等[2]對近斷層地震作用下的土質邊坡進行了研究。言志信等[3]以典型邊坡為原型,利用FLAC3D軟件研究了多級平臺寬度對邊坡地震動力響應的影響。鄭文棠[4]通過對核電廠邊坡的簡化,分析了邊坡的地震動時程響應規律。艾暢[5]通過具體的水下爆炸模型試驗,研究了近場地震作用下原型邊坡的變形破壞模式以及支護結構對邊坡穩定性的影響。張澤林[6]以離心機振動臺試驗為基礎,分析了黃土-泥巖邊坡的動力響應及破壞特征。徐光興等[7]利用FLAC3D軟件與振動臺模型試驗相互驗證的方式分析了地震作用下邊坡的動力響應規律以及地震動參數對邊坡動力響應的影響。

本文以滬昆客專云南境內(TJ-3標段)的路塹邊坡為研究對象,來分析地震作用下云南境內不同巖土體對邊坡動力響應的影響,研究不同巖土體邊坡的動力響應規律,以便為類似工程提供參考。

1 工程概況

滬昆客運專線(云南段)TJ-3標段位于云貴高原中心地帶,屬高原盆地及高原剝蝕殘丘低山地貌,地表水系發育；本管段屬高原低山及高原丘陵地貌,高程1 800～2 000 m,一般相對高差20～100 m,地形波狀起伏,殘丘與溝槽相間分布,植被不發育,部分地帶生長松樹、灌木、雜草,基巖裸露。

滬昆客專云南段位于歐亞板塊和岡瓦納板塊之上,同時也處在青藏高原東南隅,歐亞板塊和印度板塊會聚、消減、相互作用的邊緣地帶。特殊的構造部位和強烈的地殼運動,使得該地區地震頻度高、強度大、震源淺、分布廣。

2 模型的建立及參數的選取

2.1 計算模型

根據地層勘察資料及邊坡設計施工圖紙,建立FLAC3D模型,模型自上而下為粉質黏土和泥巖,該路塹邊坡高30 m,邊坡傾角為30°,有兩級邊坡,兩級邊坡中間設一個2 m的坍落臺。根據鄭穎人[8]等人對邊坡邊界的建議,該模型左右邊界200 m,坡頂到底端80 m,坡頂到右邊界75 m,坡底到左邊界90 m,CAD圖紙及建造的模型見圖1、圖2。

圖1 未開挖的CAD圖紙

圖2 利用軟件建造的模型圖

2.2 模型參數的設置

本文選用彈塑性摩爾庫倫(Mohr-Coulomb)本構關系模型,在模型四周選取自由場邊界,模型底部設置靜態邊界,采用局部阻尼,采用0.15的阻尼系數。

2.3 地震荷載的輸入

本文模型底部采用靜態邊界,施加動力邊界條件后,邊界上原先的靜力邊界條件將被自動去掉,在動力荷載施加期間,程序始終自動計算邊界上的作用力,而不能將靜態邊界條件去掉,也不能在靜態邊界上施加加速度、速度邊界條件,因為靜態邊界上的作用力是根據邊界上的速度分量計算得到的,如果再施加速度荷載就會使靜態邊界失效。若需要在靜態邊界上輸入動荷載,則只能輸入應力時程。可以通過公式(1)和(2)把加速度時程轉換成應力時程施加到靜態邊界上[8]。本文采用輸入EL-Centro地震波,在輸入地震波之前,用SeismoSignal軟件,對EL-Centro地震波進行濾波和基線校正處理,以保證計算結果的準確性。見圖3。

σn=2(ρCp)νn

(1)

σs=-2(ρCs)νs

(2)

式中的σn、σs分別為施加在靜態邊界上的法向應力和切向應力,公式中的系數2表示施加的能量中只有一半是向上傳播作為動力輸入的,另一半向邊界下部傳播,公式中負號是為了使應力施加后節點的速度能與實際一致。

圖3 EL-Centro波加速度時程曲線

2.4 巖土體參數

本文研究地震作用下云南境內沿線不同巖土體的邊坡動力響應,通過改變模型巖土表層參數,來分析云南境內不同巖土表層對邊坡動力響應的影響,選取的巖土體物理計算參數見表1。

表1 巖土體物理計算參數

3 數值模擬分析

3.1 水平位移峰值響應分析

本文在模型底部輸入相當于7度作用的EI-centro波,來分析同一地震烈度下不同土層的水平位移峰值的響應。

從圖4中可以看出,不同巖土層在同一地震烈度下水平位移峰值差別很大,7度地震下,松散層的最大水平位移峰值能夠達到48 mm,砂質泥巖最大峰值為31 mm,相比松散層降低了35.42%,說明巖土體的自身屬性對地震荷載作用下的水平位移峰值響應影響很大。

圖4 不同巖土體水平位移峰值響應曲線

不同巖土層的水平位移峰值大體可以劃分為三類,峰值從大到小,松散層和粉質黏土一類,軟質黏土和砂質黏土一類,砂質泥巖和細砂巖一類,參考巖土體的屬性,巖土體本身屬性相近才使得響應相近,猜測內聚力是主要的影響屬性。

總的來說,巖體的水平位移峰值相對土體的水平位移峰值要小很多,說明巖體相對于土體受地震荷載的影響較小,邊坡加固的時候,應該分類考慮。

3.2 最終位移響應分析

從圖5中可以看出,跟水平位移峰值類似,滬昆高速鐵路沿線中不同巖土層在同一地震烈度下不同的巖土體最終的水平位移差別很大,其中7度地震下松散層的最終位移最大,達到37.122 mm,細砂巖的最終位移最小,最小位移為15.411 mm,直接降低了58.49%,說明巖土體的自身屬性對路塹邊坡的最終水平位移影響很大。

圖5 不同巖土體最終位移響應曲線

不同巖土層的最終水平位移體從大到小大體可以劃分為三個層次：松散層和粉質黏土為第一層次,最終水平位移最大；軟質黏土和砂質黏土為第二層次,最終水平位移居中；砂質泥巖和細砂巖為第三層次,最終水平位移最小。巖土體本身屬性相近才使得不同巖土層的最終水平位移響應相近,內聚力有可能是最主要的影響屬性。

總的來說,巖體的最終水平位移相對土體的最終水平位移要小很多,說明巖體相對于土體受地震荷載的影響較小,邊坡加固的時候,應該給予分類考慮。

3.3 水平峰值速度響應分析

從圖6中可以看出,土體邊坡有著類似的速度響應規律,且隨著邊坡位置的不同速度響應差別很大,其中軟質黏土的速度峰值最大,其次是砂質黏土,粉質黏土和土體中速度峰值最小的是松散層。土體中速度峰值的大小順序與土體水平峰值位移,及最終位移的大小順序正好相反,說明土體的自身屬性對位移和速度有著相反的影響規律,土體邊坡中某個位置的峰值速度大,并不一定代表水平峰值速度和最終的水平位移大,兩者沒有直接關系,最終位移的大小要看整個位移時程曲線才能確定。

圖6 不同巖土體水平峰值速度響應曲線

兩種巖體同樣有著類似的速度響應規律,總體來說,邊坡不同位置巖體的速度差別不像土體那么大,巖體有著較大的剪切模量和體積模量,且整體性較土體好,所以即使地震作用下,巖體也有著較小的速度響應。

3.4 水平應力分析

從圖7中可以看出,土體和巖體所受的水平應力差別很大,有著不同的作用規律,巖體總的來說所受的水平應力要比土體大得多,且巖體在邊坡的不同的位置所受的水平應力差別也很大。由于觀察的主要是二級邊坡以上的巖土體,邊坡較緩,并未進行開挖,為了模擬邊坡的實際情況與實際類似,所以二級邊坡以上的巖土體邊坡的傾斜角并不固定,并未有相同的形狀,由此說明巖土體所受水平應力的大小還跟邊坡的形狀有著很大的關系,所以巖體邊坡不同的位置水平應力相差很大。土體邊坡的水平應力同樣也受邊坡形狀的影響,但不同位置相差的并不是很大,且土體的水平應力規律也是大體相似。

圖7 不同巖土體水平應力響應曲線

由于巖體和土體所受的水平應力差別很大,所以在進行加固的時候,要分別予以考慮,特別是巖體的水平應力,在進行錨桿框架梁或者預應力錨索框架梁加固的時候,要注意所受的剪切力不應超過錨桿或者預應力錨索的最大屈服應力。數值模擬所得的數據可以為以后對邊坡進行加固時錨桿的選擇或者錨索預應力施加的大小提供一定的參考依據。

4 結 語

本文以滬昆客專云南境內的路塹邊坡為基礎,通過改變模型的巖土層研究了不同巖土層下路塹邊坡的動力響應,可以得出以下結論：

1)滬昆客專云南境內不同巖土層邊坡的動力響應差別很大,其中土層中松散層的水平位移峰值最大,砂質泥巖的水平位移峰值最小,說明巖土體的自身屬性對地震荷載作用下的水平位移峰值影響很大。

2)不同巖土層的最終水平位移體從大到小大體可以劃分為三個層次：松散層和粉質黏土為第一層次,最終水平位移最大；軟質黏土和砂質黏土為第二層次,最終水平位移居中；砂質泥巖和細砂巖為第三層次,最終水平位移最小。巖土體本身屬性相近才使得不同巖土層的最終水平位移響應相近,內聚力有可能是最主要的影響屬性。

3)土體邊坡中某個位置的峰值速度大,并不一定代表水平峰值速度和最終的水平位移大,兩者沒有直接關系。最終位移的大小要看整個位移時程曲線才能確定。

4)巖土體所受水平應力的大小還跟邊坡的形狀有著很大的關系,巖土體邊坡不同的位置水平應力相差很大,支護時需要考慮位置的影響。

5)土體和巖體的邊坡動力響應差別很大,進行加固時要分別考慮,數值模擬所得的數據可以為以后對邊坡進行加固時錨桿的選擇或者錨索預應力施加的大小，提供一定的參考。