列车振动荷载作用下隧道进口边坡稳定性分析

列车振动荷载作用下隧道进口边坡稳定性分析

列车振动负荷是具有一定作用周期的循环负荷，其波形和作用方式与自然地震不同。它不能简单地修改自然地震波的形状，从而分析列车的振动负荷。振动负荷时间曲线的确定和加快时间曲线的发展是分析列车振动负荷结构的关键。目前对于列车振动荷载的研究主要集中在几个方面:(1)列车振动荷载的确定:潘昌实等在对北京地铁现场测试分析的基础上,用一个包含车轮静荷载和一系列正弦函数迭加而成的动荷载的激振力函数来模拟列车的振动荷载,f(t)=A0+A1sinω1t+A2sinω2t+A3sinω3t;金亮星等人根据现场实测振动加速度时程,应用振动反分析理论和有限元法,计算列车竖向振动荷载,建立不同运行速度下高速列车振动荷载计算模型,进一步分析列车振动荷载作用下路基及周围环境的动力响应;许俊超等用一个常量力来模拟车轮静载,用正弦函数来模拟轨道的不平顺,然后将二者叠加,作为列车振动荷载,P(t)=P0+P1sinω1t。(2)列车振动荷载对路基及环境的影响:李军世等采用有限元法分析了铁路路基在高速列车作用下的动力反应;杨龙才等分析了高速列车通过小跨度桥梁时列车振动荷载对桥桩的影响。(3)列车振动荷载对隧道及衬砌的影响:张玉娥等分析了列车振动荷载作用下地下结构的动力响应;高峰等对沉管隧道在列车振动作用下的受力状态进行了分析和计算;李亮等运用弹塑性有限元方法对大断面隧道结构在列车振动荷载作用下的动力响应进行了深入的分析。本文在前人的研究基础上,参照相关文献的列车荷载计算公式,以某在建高速铁路隧道进口边坡为例,采用FLAC3D软件进行数值模拟,分析了列车振动荷载对隧道进口边坡岩体的应力、变形及稳定性的影响。1隧道进口边坡研究区位于四川盆地东南边缘,地形地貌受地质构造的控制,为一系列的北北东—北东向背斜山脊和长条形开阔的向斜槽地组成的平行岭谷。隧道进口边坡位于龙河右岸,总体呈南北走向,北高南低,北侧距坡脚相对高差约200m,南侧距坡脚相对高差约30m,形成一倾向河谷的山脊,山脊西侧地形陡峻,形成陡崖,上部坡度70~90°,中下部坡度30~60°,坡脚地形平缓。山脊东侧为缓坡地貌,坡角21~33°(图1)。边坡出露的基岩主要为三叠系上统须家河组砂岩夹碳质页岩及中统雷口坡组灰岩,陡崖上部出露的砂岩及碳质页岩呈互层状分布,产状N35°~47°E/SE∠21~33°,下部出露的灰岩中—厚层状,产状N35°E/SE∠39~46°,隧道进口边坡典型剖面见图2。研究区位于方斗山背斜南东翼,为单斜构造,是方斗山背斜构造的一部分,区内节理较发育,主要有2组:N20~30°E/NW∠45~50°、N35~50°W/SW∠70~80°,节理间距0.8~2.0m,延伸长度3~5m,裂隙面平直、粗糙,部分张开较宽,未充填或泥质半充填。根据节理、层面及坡面的产状,可作出赤平投影图(图3)。从图3中可以看出,在层面及剪节理的切割下,岩体被分割成块体,因该边坡上部为厚层砂岩夹薄层碳质页岩,软硬不均,故硬岩底部易形成凹腔,凹腔为其上部岩块提供了临空条件,而坡面方向与岩层倾向方向大致相反,且剪节理与坡面均斜交,故凹腔上部被节理切割形成的独立岩块易向陡崖外侧产生失稳。2岸边坡变形特征及生成机制分析2.1边坡变形破坏特征(1)岩块的形状边坡岩体内节理裂隙较发育,在层面、剪节理以及顺坡向卸荷结构面的共同切割下,完整块状的砂岩被分割成岩块,块体大小与结构面的间距有关,一般长约80cm,宽约60cm,厚约60cm,陡崖壁面上还发育个别方量巨大的危岩块体,单个大方量的块体一般主要受顺坡向的卸荷节理控制。(2)块体失稳结构面为面的抗拔力型结构面由于边坡向临空方向卸荷,陡崖上部砂岩内顺坡向卸荷结构面较为发育,这类结构面一般都粗糙起伏,多数张开,无充填,贯通情况不一,产状变化也比较大,在坡向不同的部位,发育情况各不相同,它们构成块体失稳的后部边界。(3)抗风化能力较弱该边坡上部为砂岩与碳质页岩互层,砂岩岩性较坚硬,页岩岩性相对较软,抗风化能力较弱,砂岩、页岩的差异风化导致边坡区发育多处凹腔,凹腔的存在使其上部岩块底部部分或完全临空,底部临空的岩块易向坡外发生倾倒或坠落,对岩块的稳定性极为不利。(4)陡崖北高南质岩堆岩堆的分布方向由于边坡及上部岩块失稳,大量的岩块堆于陡崖西侧,形成巨大的岩堆,岩堆的分布方向与陡崖走向一致,基本沿南北向,同时也继承了陡崖北高南低的特点,岩堆方量自北向南逐渐减小。据钻孔资料揭露,岩堆厚达30~50m,成分为崩坡积的块碎石土。2.2拉张结构面为中—边坡变形破坏模式分析陡崖走向约南北向,倾向为西,而层面倾向为NE40°,两者夹角约50°,故陡崖处为一斜向—横向坡。由于边坡向临空方向卸荷,坡肩处拉应力集中,陡崖顶部岩体在拉应力作用下,发育有大量拉张结构面,这些结构面粗糙起伏,延伸情况较好。此外,由于该边坡岩性为中—厚层状砂岩夹薄层状碳质页岩,页岩岩性较软,抗风化能力较差,易风化形成凹腔,岩体在自重应力作用下易向外侧倾倒,使后部卸荷结构面进一步张开。因此,边坡的变形破坏机制为倾倒—拉裂。3列车振动负荷对边坡稳定性的影响3.1莫尔-库仑弹塑性模型在工程地质条件分析、坡体结构特征研究、变形破坏模式分析的基础上,建立隧道进口边坡的地质概念模型,模型边界取到工程的影响范围以外,X轴正向为隧道洞口向坡内的延伸方向,Y轴正向为垂直于隧道方向,Z轴正方向为竖直向上,X方向长521.5m,Y方向长528.1m。采用适合岩体应力-应变分析的快速拉格朗日差分法(FLAC3D软件)计算,选取莫尔-库仑屈服条件的弹塑性模型,共划分20组,228577个单元,42285个节点(图4)。计算参数的选取根据室内单轴抗压、抗剪及三轴试验结果,参照工程地质手册、工程经验及反算结果进行优化,综合选取,各层岩土体参数综合取值见表1。3.2带明显强度的pt面许俊超等人给出的列车动荷载计算式为:式中:P0——车轮静载,根据高速铁路的要求一般取单边静轮重为80kN;P1—振动荷载幅值,与列车簧下质量有关。令簧下质量为m,则P1可以表示为:因此,P(t)可表示为:由上式确定的荷载是作用在轨枕上的,考虑到一个轮重一般由5个轨枕所承受,最大受荷轨枕占轮重的30%~40%,同时设计及周围轮重的应力叠加影响,并考虑到与我国现行22t轴重下的实测资料的对比,因此断面动载取0.7P(t)。即:式中:r1——上述不平顺条件下所对应的矢高;v——列车速度;L1——不平顺波长。P0取80kN,簧下质量m可取750kg。在建某高速铁路设计行车速度为200km/h,根据英国对于时速200km轨道几何不平顺管理标准(表2),取长波波长L1=5m,r1=5mm,根据式(4),列车运行时的振动荷载可表示为:(2)垂向节点力小的节点动荷载的输入可采用加速度时程、速度时程、位移时程和应力(力)时程4种方式。本文采用随时间变化大小的节点力来近似模拟列车的振动,根据王常晶、陈云敏等人的研究:垂直的列车移动荷载产生了相应的等量水平振动,在分析中不可忽略水平振动,因此,本文在隧道底部各节点上施加垂向节点力的同时,考虑振动荷载对边坡稳定性的不利影响,沿隧道进洞方向,在隧道底部各节点上施加与垂向量值相等的水平节点荷载。(3)粘滞边界的设置FLAC3D中求解动力问题的边界条件设置有截断边界和粘滞边界两种,截断边界的办法在处理弹性波的能量逸散时,沿用静力条件下边界的设置,这样的边界对入射波起着完全反射的作用,即既不传播,也不吸收任何能量;粘滞边界通过在边界的法线方向和水平方向上设置独立的粘壶得以实现,以便吸收来自模型内部的入射波。本文采用荷载时程,考虑到边界条件对计算结果的影响,选取粘滞边界进行计算,列车振动作用时间为10s,根据式(5),可以得出列车运行时的荷载时程曲线(图5)。3.3横剖面p考虑列车振动荷载对边坡稳定性的影响,现将天然及隧道开挖工况下的位移、速度及塑性区分布情况清零,只考虑列车振动荷载作用下边坡的应力、位移增量,同时,沿隧道走向方向作一纵剖面(P1),沿垂直于隧道延伸方向上设置一横剖面(P2),用以观察应力、位移等在剖面上的变化(图6)。(1)边坡小角度模型列车振动荷载作用下,边坡岩体内应力场也发生相应的变化,图7、图8是列车振动荷载作用下,P1、P2剖面上的应力分布特征。从图中可以看出:(1)在剖面P1上,最大及最小主应力表现出较明显受重力场控制的特点,即最大主应力在模型底部量值最大,方向平行于Z轴,且越往边坡内部,量值越大,在边坡浅表部量值减小,方向转而平行于坡面方向;最小主应力主要表现为压应力,在模型深部量值最大,平行于水平方向,在边坡浅表部量值减小趋近于0,方向转而垂直于坡面方向,甚至产生拉应力。(2)在剖面P2上,受列车振动荷载的影响,可以清楚地看出隧道周围岩体内应力重分布的特征。隧道周围最大主应力值可达6.0~6.7842MPa,主要分布在隧道两侧,隧道底部最大主应力量值为4.0~5.0MPa,较自重应力场下有所增高,增高值为1~2MPa,隧道顶部最大主应力值与自重应力场下基本一致;隧道周围最小主应力值可达2.0~2.3143MPa,主要分布在隧道两侧,隧道底部最小主应力量值为1.0~1.5MPa,较自重应力场下有所增高,增高值为0.5~1MPa,隧道顶部最小主应力值与自重应力场下基本一致。(2)总位移增量在列车振动荷载作用下,伴随着岩体内应力的重分布,边坡岩体内也产生了相应的变形,图9是在天然及开挖工况下位移值清零后,仅考虑列车振动荷载作用下边坡位移增量的分布特征。总体来看,列车振动荷载作用下引起的总位移增量以1~2cm为主,总位移增量最大值区域主要分布在边坡顶部,自坡顶往坡底总位移增量逐渐减小,最大增量可达2.0~2.1644cm,分布于隧道正上方坡顶区域;在P1剖面上,总位移增量自坡顶往坡底逐渐减小,其等值线与水平方向基本平行,最大增量区分布在坡顶部位,最大总位移增量值为2.1455cm;在P2剖面上,位移增量分布特征与P1剖面上相似,总位移增量总体表现为自坡顶往坡底逐渐减小,增量最大值区域分布在边坡顶部坡面,最大总位移增量为2.163cm。(3)边坡体结构面出现剪应变增量带分析结果表明,岩土体失稳(特别是滑动失稳)都是沿剪应变最大的部位发生,可以利用FLAC的计算结果,通过剪应变增量找出坡体内最薄弱的部位,即最易沿此面发生破坏失稳的部位。图10为剖面P1和P2上剪应变增量分布特征,从图10(a)中可以看出,在砂岩-碳质页岩及砂岩-灰岩分界面处,均出现了剪应变增量带,这些原生结构面将为边坡的变形破坏提供边界,由于隧道的开挖,与隧道相交的砂岩-灰岩分界面处剪应变增量带更加明显,可见,在列车振动荷载的作用下,边坡岩体内结构面两侧均会形成剪应变增量带,对边坡的稳定性极为不利。从图10(b)中可以看出,在边坡上部碳质页岩层附近及隧道开挖面附近均形成了剪应变增量带,可见,列车振动荷载对软弱结构面及开挖面附近岩体稳定性将产生影响。根据以上分析可知,在列车振动荷载作用下,边坡岩体内的原生结构面、构造结构面、卸荷结构面、凹腔临空面以及工程开挖面附近,都将形成剪应变增量带,对边坡的稳定性极为不利。另外,列车振动荷载作用下,边坡岩体内应力集中部位主要分布在坡顶、凹腔及开挖面附近,最大位移增量区的分布于应力集中部位基本一致,且最大总位移增量为2.1644cm,位移值相对较小,可见,列车振动荷载对坡顶岩体、凹腔及开挖面附近岩体稳定性影响较大,引起边坡整体失稳的可能性较小。4边坡变形场及位移(1)在列车振动荷载作用下,隧道两侧及底部最大、最小主应力均产生集中现象,最大主应力较自重应力场下增