汽車振動作用下含軟弱層順向橋基岸坡動力響應規(guī)律研究

張 敏,剪鑫磊,毛東升,曾 探,黃 健

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031;2.中國石油天然氣管道工程有限公司,河北 廊坊 065000;3.地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學),成都 610059)

山區(qū)地質環(huán)境條件復雜,人類工程活動不可避免會誘發(fā)大量巖土體穩(wěn)定性問題,一旦出現失穩(wěn)風險,若處置不及時會造成財產損失和人員傷亡。如2010年4月25日,臺灣省3號公路基隆七堵路段3 k+250 m處邊坡在安全運營近6年時間后突發(fā)高速滑動破壞［1］;四川省簡陽丹景鄉(xiāng)景區(qū)公路雷打石段路基,2010年在修筑時曾誘發(fā)斜坡變形,經工程治理,安全運營8年后于2019年8月7日再次發(fā)生滑動［2］。類似案例時有發(fā)生,提醒應重視山區(qū)公路長期運營條件下的邊坡變形失穩(wěn)風險。

當前邊坡設計規(guī)范中,地震和暴雨是邊坡穩(wěn)定性評價的主要影響因素。但隨著車輛載重和行駛速度增加,路面已測得的振動強度可達3.8 m/s2,是地震誘發(fā)滑坡峰值加速度下限值0.05 g(g為重力加速度,g=9.8 m/s2,下文均用加速度表示振動強度)的7.8倍,是三峽庫區(qū)監(jiān)測的庫水誘發(fā)地震加速度峰值0.22 m/s2的17.3倍［3-5］。另外,交通荷載是一種長期的、不斷循環(huán)的微幅振動,明顯有別于地震和爆破,巖土體在其作用下的動力響應是復雜的。據文獻查閱,目前已開展的相關工作包括:閆強等［6］利用ANSYS模擬公路邊坡開挖的結果表明,有限元能夠很好地獲取邊坡動力響應;趙文華［7］采用MIDAS分析了車輛荷載作用下橋臺、樁、土的變形過程,發(fā)現車速與車重對橋臺、樁、土的變形影響顯著;陳瑞青［8］對交通荷載作用下的土質邊坡動力響應開展了研究,認識到邊坡坡面的響應峰值與振動荷載幅值呈正相關關系;李鵬［4］通過現場實測受車輛荷載作用邊坡的動力響應,分析了車輛荷載、車速和車輛位置對振動響應的影響;簡文彬等［9］通過振動臺試驗分析了巖體邊坡在交通振動荷載作用下的動力響應,發(fā)現在振動荷載長期作用下,坡體原生裂隙發(fā)育貫通并導致坡體局部或整體失穩(wěn)。可見,交通荷載作用下巖土體動力響應研究主要集中于土質邊坡或簡化的巖質邊坡,尚未考慮巖性組合及軟弱層等坡體結構因素,而其恰恰又是控制斜坡穩(wěn)定性的關鍵［10］。荷載模型主要是以正弦波或半正弦波來簡化處理,忽略了交通荷載的隨機特性;研究方法主要以線性分析和模態(tài)分析為主,忽略了巖土體的非線性特征。為此,亟需在考慮坡體結構特征基礎上,對交通振動荷載在巖土體內的傳播特征及動力響應規(guī)律開展進一步研究。

鑒于此,本文以山區(qū)高速公路常見且易滑的順向橋基岸坡為研究對象,通過統(tǒng)計邊坡幾何尺寸、地質屬性等參數,概化邊坡地質模型;利用現場實測汽車振動引起的坡表振動加速度,概化交通荷載等效模型(正弦波、半正弦波及不規(guī)則波)。在此基礎上,采用動力有限元方法,分別模擬3種等效荷載下巖土體振動特性,與實測數據對比,確定最優(yōu)的交通荷載等效模型。最后,進一步得出汽車振動循環(huán)作用下含軟弱層順向橋基岸坡動力響應規(guī)律及對邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 山區(qū)公路順向橋基岸坡特征

山區(qū)公路橋基岸坡穩(wěn)定狀況,受坡體結構及多種環(huán)境因素作用,包括車輛振動對邊坡的長期作用。通過對典型的順向橋基岸坡統(tǒng)計分析,提取關鍵地質特征參數,包括斜坡規(guī)模、巖性及組合關系、控制性結構面等,構建汽車振動作用下含軟弱層順向橋基岸坡地質概念模型。

1.1 順向橋基岸坡地質特征分析

收集已發(fā)生變形破壞的典型含軟弱層順向邊坡案例［11-19］(表1,限于篇幅僅列出10例),統(tǒng)計邊坡幾何尺寸(坡高和坡角)、巖性及組合關系、控制性結構面(軟弱層厚度和后緣陡傾裂縫張開度)共6個關鍵參數(圖1)。

圖1 含軟弱層順向邊坡特征統(tǒng)計結果Fig.1 Statistics of the dip-bedding slope characteristics with weak interlayer

由圖1可見,邊坡高度分布于5～350 m,但在100 m坡高附近的邊坡數量最多(圖1-A);坡度分布于20°～70°,但在40°～50°的邊坡數量最多(圖1-B)。邊坡巖性可分為硬巖和軟巖2類,其中硬巖主要包括灰?guī)r和砂巖(圖1-C),呈硬脆性,常發(fā)育多組節(jié)理切割巖體形成塊狀、層狀和碎裂等結構,也是雨水的入滲通道;軟巖主要包括泥巖和頁巖,由于抗風化能力弱、遇水易軟化等特性常形成具有一定厚度的軟弱層,其力學性質差,易轉化為滑帶。邊坡巖性組合關系對邊坡穩(wěn)定性起主要控制作用,從圖1-D中可見,發(fā)生變形破壞的邊坡巖性組合主要表現為厚層的硬巖夾薄層的軟巖為主,軟弱層發(fā)育厚度在0.5 m左右(圖1-E)。此外,順層邊坡常發(fā)育一組陡傾坡外結構面,在重力作用下張開形成陡傾坡外近垂直的裂縫(圖1-F),構成失穩(wěn)邊坡的后緣邊界。

1.2 順向橋基岸坡地質模型構建

橋基岸坡地質模型包括地質要素、橋基結構要素和大小要素,其中地質要素根據典型的順向邊坡特征統(tǒng)計結果確定,橋基結構要素參考山區(qū)高速公路設計參數,大小要素主要考慮數值模擬精度的影響。結合前人研究成果［20］,建立含軟弱層順向橋基岸坡地質模型(圖2)。

圖2 含軟弱層順向橋基岸坡地質模型Fig.2 Geological model of bridge foundation and dip-bedding slope with weak interlayer

該含軟弱層順向橋基岸坡地質模型,巖性組合為硬巖(砂巖)夾軟巖(泥巖),后緣陡傾裂隙75°,薄層泥巖(0.5 m)為潛在滑動面。模型大小:上下間距>2 h(h為邊坡高度),左右邊界距離坡體不少于2.5 h情況下才能保證計算精度［21］。模型邊界為黏性邊界,可有效解決動力模擬過程中振動波反射問題［22］。據此,確定計算模型長500 m、高200 m、坡高100 m、坡角45°。軟弱層出露于前緣坡表1/3處,后緣陡傾裂隙閉合且泥質填充,以軟弱層考慮。橋基樁半徑為0.75 m,樁長嵌入坡體20 m,單幅橋面橋基間距5.5 m,兩幅橋面橋基間距為4 m,共4根基樁。模擬過程中,假設樁體為理想彈性體,樁身剛度與深度無關且不發(fā)生轉動,樁體與邊坡地層不發(fā)生分離。車輛與橋面接觸產生振動自橋基傳至巖體,為簡化處理,不考慮邊坡以上的橋基及橋體,豎向作用力考慮上覆等效自重與振動荷載豎向分量,水平作用力考慮振動荷載水平分量。

2 橋基岸坡動力響應數值分析

數值計算是開展汽車振動作用下巖土體動力響應研究的主要方法之一,但大多以正弦波或半正弦波來簡化處理,與實際情況存在一定偏差。本文采用現場實測、信號處理及分析,提取巖土體動力參數,以構建交通振動等效荷載模型。在此基礎上,開展含軟弱層順向橋基岸坡動力有限元計算,分別從加速度、動應力和動位移的變化研究邊坡響應規(guī)律,及其對邊坡穩(wěn)定性的影響。

2.1 交通振動等效荷載概化

根據橋基岸坡地質模型,選取四川省雅西高速某順層含軟弱層的橋基岸坡進行坡表振動實測(圖3)。

圖3 汽車振動引起巖土體振動信號實測Fig.3 Field measurement on signal of rock mass caused by traffic vibration(A)實測點位布置圖; (B)G01NET-3振動信號采集設備,技術參數:輸入通道數量15,差分/單端輸入;采樣分辨率1～200 Hz;存儲容量16 G SD卡;動態(tài)范圍≥110 dB;程控放大1倍、10倍、100倍、1 000倍;大小為250 mm×250 mm×220 mm;外部接口2個串口,1個USB口,1個T-USB口;數據存儲為文本格式

采用集合經驗模態(tài)分解(EEMD)對信號進行降噪,利用快速傅里葉變換,實現振動信號時域與頻域分析。以橋基豎向位置測點(b0)為例,確定交通振動引起的有效振動強度為0.138 m/s2(≈0.014 g),測量期間車輛主要為中小型車,速度控制在60 km/h,優(yōu)勢有效振動頻率為18 Hz。據此,分別建立3種交通振動等效荷載概化模型:正弦波型(圖4-A),半正弦波型(圖4-B)及不規(guī)則波型,即降噪后的實測波型(圖4-C),a為振動強度(m/s2),a0為加速度峰值(m/s2),f為頻率(Hz),t為時間(s)。

(A)正弦波荷載模型a=a0 sin(2πft);(B)半正弦波荷載模型a=a0|sin(2πft)|; (C)不規(guī)則波荷載模型圖4 概化的交通振動等效荷載模型Fig.4 Generalized traffic vibration equivalent load model

2.2 動力數值實驗可行性分析

選用Midas GTS軟件,基于橋基岸坡地質模型,建立汽車振動作用下橋基岸坡動力計算模型(圖5-A)。參數設置如圖5-B和圖5-C,根據巖土工程勘察報告,各巖土體與橋基物理力學參數由室內試驗并結合經驗值綜合確定(表2)。考慮到巖土體材料具有顯著的非線性特征,動力計算過程采用非線性時程分析法。通過特征值計算,確定巖體和結構固有動力特性,包括固有模態(tài)、周期、頻率和振型參與系數(表3)。

表2 模型材料參數取值表Table 2 Value of model material parameters

表3 特征值計算結果Table 3 Results of eigenvalue calculation

圖5 汽車振動作用下橋基岸坡動力計算模型Fig.5 Dynamic calculation model for the slope of bridge foundation under traffic vibration

模型以Y軸(重力方向)的質量參與率判定模型振型,一階振動周期為0.461 s,對應的質量參與系數為47.54%;二階振動周期為0.435 s,對應的質量參與系數為13.62%。動荷載作用下邊坡整體都存在振動響應,其中軟弱層以上巖體振動響應明顯,在一階振型下發(fā)生豎向振動,二階振型下發(fā)生扭轉。另外在動力數值實驗中,為了吸收散射波,避免出現波的疊加效應,在邊界單元上引入黏性邊界(圖5-A)。模型的黏性邊界確定為阻尼彈簧,阻尼系數(cs,cp)分別由交通振動在巖體中產生的剪切波波速(Cs)和壓縮波波速(Cp)及相應的巖土體物理參數計算獲得(表4)。

表4 模擬巖土體阻尼系數Table 4 Damping coefficient of simulated rock mass

基于構建的計算模型(未考慮夾層和后緣裂縫),分別施加3種概化的等效荷載(正弦波、半正弦波及不規(guī)則波),模擬汽車振動作用下橋基岸坡的動力響應。通過對比現場實測點(圖3)與數值模擬監(jiān)測點(圖5-B)在水平和豎直方向上的振動加速度幅值,驗證采用動力有限元法進行橋基岸坡汽車振動作用下動力響應研究的可行性。對比結果如圖6所示,正弦波和不規(guī)則波荷載得到的加速度響應結果與現場實測結果擬合較好,表明正弦波和不規(guī)則波在模擬汽車振動作用下橋基岸坡動力響應方面優(yōu)于半正弦波。但是考慮到正弦波忽略了汽車振動引起巖體振動的隨機特性,因此最終采用不規(guī)則波等效荷載開展進一步巖土體動力響應分析。

圖6 三種等效荷載作用下的坡表加速度對比分析Fig.6 Comparative analysis of slope surface acceleration under three kinds of equivalent loads

2.3 動力響應數值模擬與分析

基于構建的計算模型(考慮夾層和后緣裂縫),加載不規(guī)則波等效荷載,研究汽車振動循環(huán)作用下含軟弱層順向橋基岸坡動力響應規(guī)律。邊坡加速度云圖(前0.05 s),當振動波傳播至夾層之前,加速度云圖呈橢圓狀分布(圖7-A);待振動波傳至夾層時,部分振動波方向改變,并在橋基與夾層之間出現集中現象(圖7-B);待振動波通過夾層后,加速度明顯降低,表明軟弱層的存在會促使加速度快速衰減(圖7-C)。

圖7 不規(guī)則波等效荷載作用下橋基岸坡加速度云圖Fig.7 Acceleration cloud image of bridge foundation bank slope under irregular wave equivalent load

提取監(jiān)測點(水平方向p0～p5,豎直方向z0～z5)加速度和動應力值(動應力取間隔2 m的計算值),繪制其隨距離的衰減曲線(圖8)?？梢?加速度衰減曲線中(圖8-A),豎直方向振動波傳播至軟弱層前能量未出現明顯衰減,距振源30 m的位置,加速度衰減7.97%,但是當振動波穿過軟弱層后,振動衰減了63.56%(z3和z4);水平方向振動衰減較快,距離10 m時,振動衰減了38.4%,隨后出現少量增加,表明后緣裂縫會造成振動波反射而導致振動效應疊加。在動應力衰減曲線中(圖8-B),可見交通振動荷載作用下,水平方向最大動應力在振源位置(18.3 kN/m2),距離振源越遠,動應力值越小。豎直方向動應力最大值在樁基端部(5.9 kN/m2),且在軟弱層位置出現了小范圍的升高,表明振動波在軟弱層位置由于波的反射會出現疊加現象。

圖8 不規(guī)則波等效荷載作用下橋基岸坡動力響應特征Fig.8 Dynamic response characteristics of bank slope of bridge foundation under irregular wave equivalent load

汽車振動循環(huán)作用下含軟弱層順向橋基岸坡動位移響應特征如圖9所示,動位移云圖與加速度類似,表現為振源附近的響應最為強烈,最大動位移9.482×10-5m,量值隨著向外擴散傳播距離的增大而減小(圖9-A)。提取豎直方向和水平方向動位移值,繪制動位移隨距離的變化曲線(圖9-B)。水平方向上,動位移隨距離增加呈現出均勻衰減的特征;豎直方向上,由于監(jiān)測點z3、z4穿過了軟弱層,出現了動位移驟降現象,可見軟弱層對邊坡動位移具有顯著的影響。

圖9 不規(guī)則波等效荷載作用下含軟弱層順向橋基岸坡動位移特征Fig.9 Dynamic displacement characteristics of bank slope of bridge foundation with weak layer under irregular wave equivalent load

綜合不規(guī)則波等效荷載作用下含軟弱層順向橋基岸坡的動力響應模擬結果,可見汽車振動對邊坡的動力影響是顯著的,尤其是含軟弱層的坡體結構。進一步采用強度折減法,分別計算橋基岸坡自重條件下與汽車振動作用下的穩(wěn)定性系數(1.675和1.428),可見,僅考慮了交通的振動效應已使邊坡穩(wěn)定性系數降低了0.25(15%)。因此,針對山區(qū)高速公路大量的含軟弱層順向橋基岸坡,在運營服役期內,邊坡穩(wěn)定狀況受車輛振動荷載的不利影響應予以重視。

3 結 論

本文以山區(qū)復雜地質環(huán)境下汽車振動作用的橋基岸坡為對象,通過案例整理與統(tǒng)計,建立典型的高速公路含軟弱層順向橋基岸坡地質模型,利用現場實測、理論分析和數值計算等方法,開展汽車振動循環(huán)作用下含軟弱層順向邊坡動力響應研究。主要結論如下:

a.山區(qū)高速公路發(fā)生變形破壞的邊坡巖性組合多表現為厚層硬巖夾薄層軟巖。

b.現場實測顯示交通有效振動強度0.138 m/s2(0.014 g),頻率為18 Hz;對比實測值與數值模擬結果,確定汽車振動最優(yōu)的等效荷載模型,即不規(guī)則波荷載。

c.汽車振動引起巖體動力參數隨距離主要呈衰減特征,且受軟弱層顯著影響,其中加速度和動位移表現為加速衰減,而動應力則反之出現了局部升高現象。

d.對比分析是否考慮汽車振動的邊坡穩(wěn)定狀況計算結果,對于運營期的邊坡長期穩(wěn)定性問題,尤其是含軟弱層的順向坡,車輛振動產生的不利影響應引起重視。