地震作用下沪昆客专路堑边坡动力响应分析

冉崇庆

(中铁十六局集团第三工程有限公司，浙江 湖州 313000)

随着国家对高速铁路建设的大力扶持,在国家发布的《中长期铁路网规划》中,中国的高速铁路网规划由原先的“四纵四横”变成了现在的“八纵八横”,越来越多的高速铁路由原先的东部平原地区向西部复杂地形的山区扩展,高路堑和高路基问题越来越成为制约铁路发展的突出问题;加之西部地区多处于高烈度断裂带上,地震作用下边坡的动力响应分析成为研究的热点。

目前,众多学者都对边坡的动力响应问题进行了研究,陈晓利[1]利用有限元分析软件FEPG及其后处理GID软件,对5. 12汶川地震中硬岩地区出现的斜坡破坏现象进行了水平方向和垂直方向2种不同周期震动加载方式下坡体内位移场和应力场的变化规律的数值模拟。宋健等[2]对近断层地震作用下的土质边坡进行了研究。言志信等[3]以典型边坡为原型,利用FLAC3D软件研究了多级平台宽度对边坡地震动力响应的影响。郑文棠[4]通过对核电厂边坡的简化,分析了边坡的地震动时程响应规律。艾畅[5]通过具体的水下爆炸模型试验,研究了近场地震作用下原型边坡的变形破坏模式以及支护结构对边坡稳定性的影响。张泽林[6]以离心机振动台试验为基础,分析了黄土-泥岩边坡的动力响应及破坏特征。徐光兴等[7]利用FLAC3D软件与振动台模型试验相互验证的方式分析了地震作用下边坡的动力响应规律以及地震动参数对边坡动力响应的影响。

本文以沪昆客专云南境内(TJ-3标段)的路堑边坡为研究对象,来分析地震作用下云南境内不同岩土体对边坡动力响应的影响,研究不同岩土体边坡的动力响应规律,以便为类似工程提供参考。

1 工程概况

沪昆客运专线(云南段)TJ-3标段位于云贵高原中心地带,属高原盆地及高原剥蚀残丘低山地貌,地表水系发育；本管段属高原低山及高原丘陵地貌,高程1 800～2 000 m,一般相对高差20～100 m,地形波状起伏,残丘与沟槽相间分布,植被不发育,部分地带生长松树、灌木、杂草,基岩裸露。

沪昆客专云南段位于欧亚板块和冈瓦纳板块之上,同时也处在青藏高原东南隅,欧亚板块和印度板块会聚、消减、相互作用的边缘地带。特殊的构造部位和强烈的地壳运动,使得该地区地震频度高、强度大、震源浅、分布广。

2 模型的建立及参数的选取

2.1 计算模型

根据地层勘察资料及边坡设计施工图纸,建立FLAC3D模型,模型自上而下为粉质黏土和泥岩,该路堑边坡高30 m,边坡倾角为30°,有两级边坡,两级边坡中间设一个2 m的坍落台。根据郑颖人[8]等人对边坡边界的建议,该模型左右边界200 m,坡顶到底端80 m,坡顶到右边界75 m,坡底到左边界90 m,CAD图纸及建造的模型见图1、图2。

图1 未开挖的CAD图纸

图2 利用软件建造的模型图

2.2 模型参数的设置

本文选用弹塑性摩尔库伦(Mohr-Coulomb)本构关系模型,在模型四周选取自由场边界,模型底部设置静态边界,采用局部阻尼,采用0.15的阻尼系数。

2.3 地震荷载的输入

本文模型底部采用静态边界,施加动力边界条件后,边界上原先的静力边界条件将被自动去掉,在动力荷载施加期间,程序始终自动计算边界上的作用力,而不能将静态边界条件去掉,也不能在静态边界上施加加速度、速度边界条件,因为静态边界上的作用力是根据边界上的速度分量计算得到的,如果再施加速度荷载就会使静态边界失效。若需要在静态边界上输入动荷载,则只能输入应力时程。可以通过公式(1)和(2)把加速度时程转换成应力时程施加到静态边界上[8]。本文采用输入EL-Centro地震波,在输入地震波之前,用SeismoSignal软件,对EL-Centro地震波进行滤波和基线校正处理,以保证计算结果的准确性。见图3。

σn=2(ρCp)νn

(1)

σs=-2(ρCs)νs

(2)

式中的σn、σs分别为施加在静态边界上的法向应力和切向应力,公式中的系数2表示施加的能量中只有一半是向上传播作为动力输入的,另一半向边界下部传播,公式中负号是为了使应力施加后节点的速度能与实际一致。

图3 EL-Centro波加速度时程曲线

2.4 岩土体参数

本文研究地震作用下云南境内沿线不同岩土体的边坡动力响应,通过改变模型岩土表层参数,来分析云南境内不同岩土表层对边坡动力响应的影响,选取的岩土体物理计算参数见表1。

表1 岩土体物理计算参数

3 数值模拟分析

3.1 水平位移峰值响应分析

本文在模型底部输入相当于7度作用的EI-centro波,来分析同一地震烈度下不同土层的水平位移峰值的响应。

从图4中可以看出,不同岩土层在同一地震烈度下水平位移峰值差别很大,7度地震下,松散层的最大水平位移峰值能够达到48 mm,砂质泥岩最大峰值为31 mm,相比松散层降低了35.42%,说明岩土体的自身属性对地震荷载作用下的水平位移峰值响应影响很大。

图4 不同岩土体水平位移峰值响应曲线

不同岩土层的水平位移峰值大体可以划分为三类,峰值从大到小,松散层和粉质黏土一类,软质黏土和砂质黏土一类,砂质泥岩和细砂岩一类,参考岩土体的属性,岩土体本身属性相近才使得响应相近,猜测内聚力是主要的影响属性。

总的来说,岩体的水平位移峰值相对土体的水平位移峰值要小很多,说明岩体相对于土体受地震荷载的影响较小,边坡加固的时候,应该分类考虑。

3.2 最终位移响应分析

从图5中可以看出,跟水平位移峰值类似,沪昆高速铁路沿线中不同岩土层在同一地震烈度下不同的岩土体最终的水平位移差别很大,其中7度地震下松散层的最终位移最大,达到37.122 mm,细砂岩的最终位移最小,最小位移为15.411 mm,直接降低了58.49%,说明岩土体的自身属性对路堑边坡的最终水平位移影响很大。

图5 不同岩土体最终位移响应曲线

不同岩土层的最终水平位移体从大到小大体可以划分为三个层次：松散层和粉质黏土为第一层次,最终水平位移最大；软质黏土和砂质黏土为第二层次,最终水平位移居中；砂质泥岩和细砂岩为第三层次,最终水平位移最小。岩土体本身属性相近才使得不同岩土层的最终水平位移响应相近,内聚力有可能是最主要的影响属性。

总的来说,岩体的最终水平位移相对土体的最终水平位移要小很多,说明岩体相对于土体受地震荷载的影响较小,边坡加固的时候,应该给予分类考虑。

3.3 水平峰值速度响应分析

从图6中可以看出,土体边坡有着类似的速度响应规律,且随着边坡位置的不同速度响应差别很大,其中软质黏土的速度峰值最大,其次是砂质黏土,粉质黏土和土体中速度峰值最小的是松散层。土体中速度峰值的大小顺序与土体水平峰值位移,及最终位移的大小顺序正好相反,说明土体的自身属性对位移和速度有着相反的影响规律,土体边坡中某个位置的峰值速度大,并不一定代表水平峰值速度和最终的水平位移大,两者没有直接关系,最终位移的大小要看整个位移时程曲线才能确定。

图6 不同岩土体水平峰值速度响应曲线

两种岩体同样有着类似的速度响应规律,总体来说,边坡不同位置岩体的速度差别不像土体那么大,岩体有着较大的剪切模量和体积模量,且整体性较土体好,所以即使地震作用下,岩体也有着较小的速度响应。

3.4 水平应力分析

从图7中可以看出,土体和岩体所受的水平应力差别很大,有着不同的作用规律,岩体总的来说所受的水平应力要比土体大得多,且岩体在边坡的不同的位置所受的水平应力差别也很大。由于观察的主要是二级边坡以上的岩土体,边坡较缓,并未进行开挖,为了模拟边坡的实际情况与实际类似,所以二级边坡以上的岩土体边坡的倾斜角并不固定,并未有相同的形状,由此说明岩土体所受水平应力的大小还跟边坡的形状有着很大的关系,所以岩体边坡不同的位置水平应力相差很大。土体边坡的水平应力同样也受边坡形状的影响,但不同位置相差的并不是很大,且土体的水平应力规律也是大体相似。

图7 不同岩土体水平应力响应曲线

由于岩体和土体所受的水平应力差别很大,所以在进行加固的时候,要分别予以考虑,特别是岩体的水平应力,在进行锚杆框架梁或者预应力锚索框架梁加固的时候,要注意所受的剪切力不应超过锚杆或者预应力锚索的最大屈服应力。数值模拟所得的数据可以为以后对边坡进行加固时锚杆的选择或者锚索预应力施加的大小提供一定的参考依据。

4 结 语

本文以沪昆客专云南境内的路堑边坡为基础,通过改变模型的岩土层研究了不同岩土层下路堑边坡的动力响应,可以得出以下结论：

1)沪昆客专云南境内不同岩土层边坡的动力响应差别很大,其中土层中松散层的水平位移峰值最大,砂质泥岩的水平位移峰值最小,说明岩土体的自身属性对地震荷载作用下的水平位移峰值影响很大。

2)不同岩土层的最终水平位移体从大到小大体可以划分为三个层次：松散层和粉质黏土为第一层次,最终水平位移最大；软质黏土和砂质黏土为第二层次,最终水平位移居中；砂质泥岩和细砂岩为第三层次,最终水平位移最小。岩土体本身属性相近才使得不同岩土层的最终水平位移响应相近,内聚力有可能是最主要的影响属性。

3)土体边坡中某个位置的峰值速度大,并不一定代表水平峰值速度和最终的水平位移大,两者没有直接关系。最终位移的大小要看整个位移时程曲线才能确定。

4)岩土体所受水平应力的大小还跟边坡的形状有着很大的关系,岩土体边坡不同的位置水平应力相差很大,支护时需要考虑位置的影响。

5)土体和岩体的边坡动力响应差别很大,进行加固时要分别考虑,数值模拟所得的数据可以为以后对边坡进行加固时锚杆的选择或者锚索预应力施加的大小，提供一定的参考。