列車振動荷載作用下隧道進口邊坡穩定性分析

列車振動負荷是具有一定作用周期的循環負荷，其波形和作用方式與自然地震不同。它不能簡單地修改自然地震波的形狀，從而分析列車的振動負荷。振動負荷時間曲線的確定和加快時間曲線的發展是分析列車振動負荷結構的關鍵。目前對于列車振動荷載的研究主要集中在幾個方面:(1)列車振動荷載的確定:潘昌實等在對北京地鐵現場測試分析的基礎上,用一個包含車輪靜荷載和一系列正弦函數迭加而成的動荷載的激振力函數來模擬列車的振動荷載,f(t)=A0+A1sinω1t+A2sinω2t+A3sinω3t;金亮星等人根據現場實測振動加速度時程,應用振動反分析理論和有限元法,計算列車豎向振動荷載,建立不同運行速度下高速列車振動荷載計算模型,進一步分析列車振動荷載作用下路基及周圍環境的動力響應;許俊超等用一個常量力來模擬車輪靜載,用正弦函數來模擬軌道的不平順,然后將二者疊加,作為列車振動荷載,P(t)=P0+P1sinω1t。(2)列車振動荷載對路基及環境的影響:李軍世等采用有限元法分析了鐵路路基在高速列車作用下的動力反應;楊龍才等分析了高速列車通過小跨度橋梁時列車振動荷載對橋樁的影響。(3)列車振動荷載對隧道及襯砌的影響:張玉娥等分析了列車振動荷載作用下地下結構的動力響應;高峰等對沉管隧道在列車振動作用下的受力狀態進行了分析和計算;李亮等運用彈塑性有限元方法對大斷面隧道結構在列車振動荷載作用下的動力響應進行了深入的分析。本文在前人的研究基礎上,參照相關文獻的列車荷載計算公式,以某在建高速鐵路隧道進口邊坡為例,采用FLAC3D軟件進行數值模擬,分析了列車振動荷載對隧道進口邊坡巖體的應力、變形及穩定性的影響。1隧道進口邊坡研究區位于四川盆地東南邊緣,地形地貌受地質構造的控制,為一系列的北北東—北東向背斜山脊和長條形開闊的向斜槽地組成的平行嶺谷。隧道進口邊坡位于龍河右岸,總體呈南北走向,北高南低,北側距坡腳相對高差約200m,南側距坡腳相對高差約30m,形成一傾向河谷的山脊,山脊西側地形陡峻,形成陡崖,上部坡度70~90°,中下部坡度30~60°,坡腳地形平緩。山脊東側為緩坡地貌,坡角21~33°(圖1)。邊坡出露的基巖主要為三疊系上統須家河組砂巖夾碳質頁巖及中統雷口坡組灰巖,陡崖上部出露的砂巖及碳質頁巖呈互層狀分布,產狀N35°~47°E/SE∠21~33°,下部出露的灰巖中—厚層狀,產狀N35°E/SE∠39~46°,隧道進口邊坡典型剖面見圖2。研究區位于方斗山背斜南東翼,為單斜構造,是方斗山背斜構造的一部分,區內節理較發育,主要有2組:N20~30°E/NW∠45~50°、N35~50°W/SW∠70~80°,節理間距0.8~2.0m,延伸長度3~5m,裂隙面平直、粗糙,部分張開較寬,未充填或泥質半充填。根據節理、層面及坡面的產狀,可作出赤平投影圖(圖3)。從圖3中可以看出,在層面及剪節理的切割下,巖體被分割成塊體,因該邊坡上部為厚層砂巖夾薄層碳質頁巖,軟硬不均,故硬巖底部易形成凹腔,凹腔為其上部巖塊提供了臨空條件,而坡面方向與巖層傾向方向大致相反,且剪節理與坡面均斜交,故凹腔上部被節理切割形成的獨立巖塊易向陡崖外側產生失穩。2岸邊坡變形特征及生成機制分析2.1邊坡變形破壞特征(1)巖塊的形狀邊坡巖體內節理裂隙較發育,在層面、剪節理以及順坡向卸荷結構面的共同切割下,完整塊狀的砂巖被分割成巖塊,塊體大小與結構面的間距有關,一般長約80cm,寬約60cm,厚約60cm,陡崖壁面上還發育個別方量巨大的危巖塊體,單個大方量的塊體一般主要受順坡向的卸荷節理控制。(2)塊體失穩結構面為面的抗拔力型結構面由于邊坡向臨空方向卸荷,陡崖上部砂巖內順坡向卸荷結構面較為發育,這類結構面一般都粗糙起伏,多數張開,無充填,貫通情況不一,產狀變化也比較大,在坡向不同的部位,發育情況各不相同,它們構成塊體失穩的后部邊界。(3)抗風化能力較弱該邊坡上部為砂巖與碳質頁巖互層,砂巖巖性較堅硬,頁巖巖性相對較軟,抗風化能力較弱,砂巖、頁巖的差異風化導致邊坡區發育多處凹腔,凹腔的存在使其上部巖塊底部部分或完全臨空,底部臨空的巖塊易向坡外發生傾倒或墜落,對巖塊的穩定性極為不利。(4)陡崖北高南質巖堆巖堆的分布方向由于邊坡及上部巖塊失穩,大量的巖塊堆于陡崖西側,形成巨大的巖堆,巖堆的分布方向與陡崖走向一致,基本沿南北向,同時也繼承了陡崖北高南低的特點,巖堆方量自北向南逐漸減小。據鉆孔資料揭露,巖堆厚達30~50m,成分為崩坡積的塊碎石土。2.2拉張結構面為中—邊坡變形破壞模式分析陡崖走向約南北向,傾向為西,而層面傾向為NE40°,兩者夾角約50°,故陡崖處為一斜向—橫向坡。由于邊坡向臨空方向卸荷,坡肩處拉應力集中,陡崖頂部巖體在拉應力作用下,發育有大量拉張結構面,這些結構面粗糙起伏,延伸情況較好。此外,由于該邊坡巖性為中—厚層狀砂巖夾薄層狀碳質頁巖,頁巖巖性較軟,抗風化能力較差,易風化形成凹腔,巖體在自重應力作用下易向外側傾倒,使后部卸荷結構面進一步張開。因此,邊坡的變形破壞機制為傾倒—拉裂。3列車振動負荷對邊坡穩定性的影響3.1莫爾-庫侖彈塑性模型在工程地質條件分析、坡體結構特征研究、變形破壞模式分析的基礎上,建立隧道進口邊坡的地質概念模型,模型邊界取到工程的影響范圍以外,X軸正向為隧道洞口向坡內的延伸方向,Y軸正向為垂直于隧道方向,Z軸正方向為豎直向上,X方向長521.5m,Y方向長528.1m。采用適合巖體應力-應變分析的快速拉格朗日差分法(FLAC3D軟件)計算,選取莫爾-庫侖屈服條件的彈塑性模型,共劃分20組,228577個單元,42285個節點(圖4)。計算參數的選取根據室內單軸抗壓、抗剪及三軸試驗結果,參照工程地質手冊、工程經驗及反算結果進行優化,綜合選取,各層巖土體參數綜合取值見表1。3.2帶明顯強度的pt面許俊超等人給出的列車動荷載計算式為:式中:P0——車輪靜載,根據高速鐵路的要求一般取單邊靜輪重為80kN;P1—振動荷載幅值,與列車簧下質量有關。令簧下質量為m,則P1可以表示為:因此,P(t)可表示為:由上式確定的荷載是作用在軌枕上的,考慮到一個輪重一般由5個軌枕所承受,最大受荷軌枕占輪重的30%~40%,同時設計及周圍輪重的應力疊加影響,并考慮到與我國現行22t軸重下的實測資料的對比,因此斷面動載取0.7P(t)。即:式中:r1——上述不平順條件下所對應的矢高;v——列車速度;L1——不平順波長。P0取80kN,簧下質量m可取750kg。在建某高速鐵路設計行車速度為200km/h,根據英國對于時速200km軌道幾何不平順管理標準(表2),取長波波長L1=5m,r1=5mm,根據式(4),列車運行時的振動荷載可表示為:(2)垂向節點力小的節點動荷載的輸入可采用加速度時程、速度時程、位移時程和應力(力)時程4種方式。本文采用隨時間變化大小的節點力來近似模擬列車的振動,根據王常晶、陳云敏等人的研究:垂直的列車移動荷載產生了相應的等量水平振動,在分析中不可忽略水平振動,因此,本文在隧道底部各節點上施加垂向節點力的同時,考慮振動荷載對邊坡穩定性的不利影響,沿隧道進洞方向,在隧道底部各節點上施加與垂向量值相等的水平節點荷載。(3)粘滯邊界的設置FLAC3D中求解動力問題的邊界條件設置有截斷邊界和粘滯邊界兩種,截斷邊界的辦法在處理彈性波的能量逸散時,沿用靜力條件下邊界的設置,這樣的邊界對入射波起著完全反射的作用,即既不傳播,也不吸收任何能量;粘滯邊界通過在邊界的法線方向和水平方向上設置獨立的粘壺得以實現,以便吸收來自模型內部的入射波。本文采用荷載時程,考慮到邊界條件對計算結果的影響,選取粘滯邊界進行計算,列車振動作用時間為10s,根據式(5),可以得出列車運行時的荷載時程曲線(圖5)。3.3橫剖面p考慮列車振動荷載對邊坡穩定性的影響,現將天然及隧道開挖工況下的位移、速度及塑性區分布情況清零,只考慮列車振動荷載作用下邊坡的應力、位移增量,同時,沿隧道走向方向作一縱剖面(P1),沿垂直于隧道延伸方向上設置一橫剖面(P2),用以觀察應力、位移等在剖面上的變化(圖6)。(1)邊坡小角度模型列車振動荷載作用下,邊坡巖體內應力場也發生相應的變化,圖7、圖8是列車振動荷載作用下,P1、P2剖面上的應力分布特征。從圖中可以看出:(1)在剖面P1上,最大及最小主應力表現出較明顯受重力場控制的特點,即最大主應力在模型底部量值最大,方向平行于Z軸,且越往邊坡內部,量值越大,在邊坡淺表部量值減小,方向轉而平行于坡面方向;最小主應力主要表現為壓應力,在模型深部量值最大,平行于水平方向,在邊坡淺表部量值減小趨近于0,方向轉而垂直于坡面方向,甚至產生拉應力。(2)在剖面P2上,受列車振動荷載的影響,可以清楚地看出隧道周圍巖體內應力重分布的特征。隧道周圍最大主應力值可達6.0~6.7842MPa,主要分布在隧道兩側,隧道底部最大主應力量值為4.0~5.0MPa,較自重應力場下有所增高,增高值為1~2MPa,隧道頂部最大主應力值與自重應力場下基本一致;隧道周圍最小主應力值可達2.0~2.3143MPa,主要分布在隧道兩側,隧道底部最小主應力量值為1.0~1.5MPa,較自重應力場下有所增高,增高值為0.5~1MPa,隧道頂部最小主應力值與自重應力場下基本一致。(2)總位移增量在列車振動荷載作用下,伴隨著巖體內應力的重分布,邊坡巖體內也產生了相應的變形,圖9是在天然及開挖工況下位移值清零后,僅考慮列車振動荷載作用下邊坡位移增量的分布特征。總體來看,列車振動荷載作用下引起的總位移增量以1~2cm為主,總位移增量最大值區域主要分布在邊坡頂部,自坡頂往坡底總位移增量逐漸減小,最大增量可達2.0~2.1644cm,分布于隧道正上方坡頂區域;在P1剖面上,總位移增量自坡頂往坡底逐漸減小,其等值線與水平方向基本平行,最大增量區分布在坡頂部位,最大總位移增量值為2.1455cm;在P2剖面上,位移增量分布特征與P1剖面上相似,總位移增量總體表現為自坡頂往坡底逐漸減小,增量最大值區域分布在邊坡頂部坡面,最大總位移增量為2.163cm。(3)邊坡體結構面出現剪應變增量帶分析結果表明,巖土體失穩(特別是滑動失穩)都是沿剪應變最大的部位發生,可以利用FLAC的計算結果,通過剪應變增量找出坡體內最薄弱的部位,即最易沿此面發生破壞失穩的部位。圖10為剖面P1和P2上剪應變增量分布特征,從圖10(a)中可以看出,在砂巖-碳質頁巖及砂巖-灰巖分界面處,均出現了剪應變增量帶,這些原生結構面將為邊坡的變形破壞提供邊界,由于隧道的開挖,與隧道相交的砂巖-灰巖分界面處剪應變增量帶更加明顯,可見,在列車振動荷載的作用下,邊坡巖體內結構面兩側均會形成剪應變增量帶,對邊坡的穩定性極為不利。從圖10(b)中可以看出,在邊坡上部碳質頁巖層附近及隧道開挖面附近均形成了剪應變增量帶,可見,列車振動荷載對軟弱結構面及開挖面附近巖體穩定性將產生影響。根據以上分析可知,在列車振動荷載作用下,邊坡巖體內的原生結構面、構造結構面、卸荷結構面、凹腔臨空面以及工程開挖面附近,都將形成剪應變增量帶,對邊坡的穩定性極為不利。另外,列車振動荷載作用下,邊坡巖體內應力集中部位主要分布在坡頂、凹腔及開挖面附近,最大位移增量區的分布于應力集中部位基本一致,且最大總位移增量為2.1644cm,位移值相對較小,可見,列車振動荷載對坡頂巖體、凹腔及開挖面附近巖體穩定性影響較大,引起邊坡整體失穩的可能性較小。4邊坡變形場及位移(1)在列車振動荷載作用下,隧道兩側及底部最大、最小主應力均產生集中現象,最大主應力較自重應力場下增