麗香鐵路金沙江懸索橋岸坡地震動力響應(yīng)分析

段思源, 張書豪

(西南交大地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 四川成都 611756)

隨著我國鐵路建設(shè)的不斷發(fā)展，許多鐵路工程項目要經(jīng)過地震活躍地段，而工程高邊坡在地震動力下的穩(wěn)定性極大地影響著線路的安全性，由于地震引起的工程邊坡失穩(wěn)的例子更是數(shù)不勝數(shù)[1-3]。為保證線路的正常運行，保證人民生命財產(chǎn)的安全，高邊坡的地震動力響應(yīng)問題已成為鐵路選線中不可忽略的重要部分。

目前研究邊坡的動力問題一般通過三種方法[4-6]:擬靜力法、數(shù)值分析法以及振動臺實驗法。本文以麗香鐵路金沙江特大橋香格里拉岸斜坡為例，研究其在地震作用下的位移、應(yīng)力的變化特征，得到數(shù)值分析結(jié)果為類似工程提供科學(xué)參考。

1 工程概況

1.1 地形地貌

金沙江特大橋橋址地處高中山區(qū)，橋址區(qū)的流向為NEE向，河面寬約100～220 m。香格里拉岸基巖裸露岸坡陡峭，主墩位于懸崖上，存在外傾結(jié)構(gòu)面( 組合) 其傾角約 50 °，緩于自然岸坡; 橋墩下方有一條平行等高線的卸荷裂縫，延伸約 60 m。

1.2 地層巖性

香格里拉岸巖性為三疊系薄—中厚層板巖、片理化玄武巖。片理面微風(fēng)化、無充填，產(chǎn)狀為 N67 °W/55 °SW，走向與坡面小角度相交，層理發(fā)育。局部地段節(jié)理將巖體切割成碎塊狀，塊徑約 0.3～0.8 m，巖體呈層狀碎裂結(jié)構(gòu)。勘察表明，強卸荷帶深度約 10.5 m，中度卸荷帶深約10 m，從21 m后卸荷裂隙已基本密閉，為弱卸荷帶。

1.3 地震烈度

按照《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖(2001)》中地震基本烈度與地震動峰值加速度的對應(yīng)關(guān)系，線路北段的0.15g區(qū)對應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度，中段的0.2g區(qū)和南段的0.3g區(qū)對應(yīng)地震基本烈度為Ⅷ度。整個線路處在0.4 s的反應(yīng)譜特征周期分區(qū)。

2 地震荷載下岸坡動力響應(yīng)特征分析

根據(jù)地質(zhì)平面圖和剖面圖，在有限差分軟件FLAC3D中建立真三維模型，模型全長510 m，寬200 m，高566 m，模型中共有節(jié)點20 054個，單元112 568個，模型分為6個組，自上而下的地層分別為強卸荷帶強風(fēng)化片理化玄武巖、弱卸荷帶強風(fēng)化片理化玄武巖、未卸荷帶強風(fēng)化片理化玄武巖、弱風(fēng)化片理化玄武巖，人工結(jié)構(gòu)分別為橋梁樁基和隧道錨，圖1和圖2分別為計算模型示意圖及計算模型透視示意圖。

圖1 計算模型示意

圖2 計算模型透視示意

本次動力分析時的邊界條件采用自由場邊界，阻尼采用瑞利阻尼，最小臨界阻尼比根據(jù)經(jīng)驗取0.05，中心頻率取輸入頻率與系統(tǒng)自振頻率的疊加值。

本文計算使用的地震波是1995年發(fā)生在日本兵庫縣南部的7.2級的阪神大地震，此次地震是日本二戰(zhàn)以來遭受破壞最嚴重的地震之一。此地震的烈度和能量均超過橋址區(qū)近百年歷史峰值，故利用該地震波模擬岸坡的動力響應(yīng)問題所得到的結(jié)果具有一定參考價值。輸入的阪神地震波水平方向和豎直方向的加速度時程如圖3、圖4所示。

圖3 汶川地震波水平方向加速度時程

圖4 汶川地震波豎直方向加速度時程

為便于分析地震荷載作用下岸坡的永久位移特點及塑性區(qū)分布情況，計算中所用的材料均為摩爾庫倫材料，物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2.1 位移分析

模型隨時間變化的總位移及其矢量圖見圖5。在地震荷載作用5 s時，坡體中下部的位移最大，由矢量圖可見，有整體抬升的趨勢，10 s及其以后，坡頂在動荷載作用下易于失穩(wěn)的特性開始顯露，位移矢量圖亦顯示坡頂有順坡向下的運動趨勢，總體變形特征為，岸坡下部被壓縮，后緣巖體變形大。

(a)5s

(b)10s

(c)15s

(d)20s圖5 地震和在下模型總位移矢量圖云圖

2.2 應(yīng)力分析

斜坡模型在整個動力計算過程中，最大主應(yīng)力分布隨時間的變化見圖6， 斜坡大部分最大主應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，分布比較均勻，值由深部至表層逐漸減小，地震荷載作用下，最大主應(yīng)力的最大值在3.198～3.403 MPa之間變化，地震對地應(yīng)力的影響使地應(yīng)力的波動在10 %左右，臨近表層下部及坡體后緣部位會產(chǎn)生拉應(yīng)力，拉應(yīng)力值較小，值約374～406 MPa，達到了巖體抗拉強度，會造成岸坡表面局部的張拉破壞。

(a)5s

(b)10s

(c)15s

(d)20s圖6 地震荷載作用下最大主應(yīng)力云圖

斜坡模型在整個動力計算過程中，最大剪應(yīng)力分布隨時間的變化見圖7。最大剪應(yīng)力值由深部至表層逐漸減小，地震荷載作用下，最大剪應(yīng)力的最大值在3.530 4～3.706 2 MPa之間變化，地震對地應(yīng)力的影響使剪應(yīng)力的波動在5 %左右。

3 結(jié)論

本章利用FLAC3D有限差分數(shù)值模擬軟件，建立了岸坡數(shù)值模型，通過分析模型在地震波作用下的位移、應(yīng)力以及塑性區(qū)的分布情況，得出以下結(jié)論：

(1)地震開始后5 s，有整體抬升的趨勢，10 s及其以后，坡頂在動荷載作用下易于失穩(wěn)的特性開始顯露，位移矢量圖顯示坡頂有順坡向下的運動趨勢，總體變形特征為，岸坡下部被壓縮，后緣巖體變形大。

(2)斜坡大部分最大主應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，分布較均勻，值由深部至表層逐漸減小，地震荷載作用下，最大主應(yīng)力的最大值在3.198～3.403 MPa之間變化，，臨近表層下部及坡體后緣部位會產(chǎn)生拉應(yīng)力，拉應(yīng)力值較小，值約374～406 MPa，達到了巖體抗拉強度，會造成岸坡表面局部的張拉破壞。

(a)5s

(b)10s

(c)15s

(d)20s圖7 地震荷載作用下最大剪應(yīng)力云圖

最大剪應(yīng)力值由深部至表層逐漸減小，地震荷載作用下，最大剪應(yīng)力的最大值在3.530 4～3.706 2 MPa之間變化。