張茵濤，張 晨，黃強兵

(1.大西鐵路客運專線有限責任公司，山西太原 030027;2.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251;3.長安大學，陜西 西安 710064)

隨著高速鐵路的大量建設，各種地質(zhì)災害逐漸顯露出來，其中活動性地裂縫是最為嚴重的一種災害。由于高速鐵路對軌道平順性和精度要求極高，活動性地裂縫對于高速鐵路的影響十分突出。

國外對地裂縫問題的研究以美國開展得最廣泛，研究的程度較深。早在20世紀20年代后期，美國學者就開始了地裂縫問題及其成因的研究，至今已形成三種不同的觀點:構(gòu)造成因、地下水開采成因和構(gòu)造與地下水開采復合成因。其他國家如土耳其、泰國、墨西哥、澳大利亞以及非洲的肯尼亞、埃塞俄比亞等也先后發(fā)現(xiàn)了地裂縫問題，但與美國相比，其研究程度相對較低。

我國是地裂縫災害最為嚴重的國家之一，首例地裂縫是20世紀50年代末在陜西省西安市西北大學校園內(nèi)發(fā)現(xiàn)的[1]。80年代以來我國地裂縫迅速增加，其分布之廣、發(fā)展之快、危害之大，令人震驚[2-5]。分布范圍遍及全國各省，其中華北地區(qū)的地裂縫災害最為嚴重。田級生等[6]對河北平原地裂縫進行了成因類型分類;李俊等[7]對河北平原地裂縫分布規(guī)律及成因進行了分析，認為河北平原地裂縫的成因是以構(gòu)造運動、地震為主導因素，水的活動為誘發(fā)因素，地形地貌、土體巖性為影響因素。

1 物理模型試驗

1.1 試驗目的

為了揭示地裂縫的影響機理，通過幾何比例尺1∶20、高速鐵路橋梁45°穿越地裂縫帶的物理模型試驗，重點研究地裂縫不同活動量作用下高速鐵路橋梁中的應力變化規(guī)律、橋梁變形破壞區(qū)范圍和失穩(wěn)特征，以及橋梁與軌道二者之間的相互作用，分析活動地裂縫作用下高速鐵路橋梁與軌道變形破壞的響應關系，確定地裂縫作用下橋梁及軌道的變形失穩(wěn)模式，為高速鐵路橋梁跨越地裂縫地段的工程防治措施提供科學依據(jù)。

1.2 試驗原理及裝置

1)試驗原理

高速鐵路沿線地裂縫的活動方式是上盤以近垂直向為主的沉降運動，下盤略為上升或穩(wěn)定不動，具有正斷層性質(zhì)。其過程較為緩慢，且具有隨時間累積的特征。在淺地表剖面上地裂縫面是一個剪切薄弱面。試驗模型箱兩側(cè)用鋼結(jié)構(gòu)組成的支撐結(jié)構(gòu)施以水平約束。為了便于觀察試驗過程，其中一側(cè)使用鋼結(jié)構(gòu)與鋼化玻璃組成的支撐結(jié)構(gòu)作為水平約束。試驗開始之前將所有底部沉降平臺的千斤頂升高15 cm，試驗過程中模型下盤千斤頂不動，人為控制上盤千斤頂?shù)南陆?，施加上盤下降的位移邊界條件來模擬地裂縫的活動。

2)試驗裝置

圖1 地裂縫與高鐵路基試驗模型示意(單位:mm)

試驗模型如圖1所示，本次模型試驗在長安大學大型物理模型試驗中心地裂縫活動試驗箱上進行，試驗設備由升降系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)組成。升降系統(tǒng)由14個量程30 t的千斤頂組成，其中7個千斤頂位于上盤，另外7個千斤頂位于下盤，上盤千斤頂用于控制地裂縫升降，下盤千斤頂主要起到支撐作用?？筛鶕?jù)地裂縫與高速鐵路線路夾角大小控制千斤頂位置，通過升降系統(tǒng)可以控制沉降平臺的下降速度，模擬地裂縫上盤下降。支撐系統(tǒng)由試驗底部平臺與其兩側(cè)鋼結(jié)構(gòu)側(cè)板組成。監(jiān)測系統(tǒng)包括監(jiān)測元件和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，試驗中使用的監(jiān)測系統(tǒng)包括高程監(jiān)測裝置、應變傳感器、鋼弦式壓力盒等。高程監(jiān)測數(shù)據(jù)由DS3水準儀采集，應變式測試元件數(shù)據(jù)由DH3816數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集，鋼弦式壓力盒數(shù)據(jù)由SZZX-ZH型讀數(shù)儀采集。試驗系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 模型試驗系統(tǒng)

1.3 試驗結(jié)果分析

1)鋼筋混凝土樁端應力分析

圖3為橫向CFG樁樁端壓力變化曲線，由圖可知，隨地裂縫上盤沉降量(即地裂縫位錯量)的增加，樁端壓力主要表現(xiàn)為下盤最靠近地裂縫的樁端壓力增加明顯，有應力集中的趨勢。

2)樁間土壓力分析

圖4為地裂縫不同位錯作用下沿路基橫向樁間土壓力的變化曲線。與樁端壓力相比，樁間土所受壓力要明顯小得多，說明CFG樁承擔了較多的上部荷載。各樁樁間土所受的壓力差較各樁樁端壓力差小，說明隨著沉降量的增大，樁間土壓力變化較小。

3)道床板應變分析

道床板應變變化曲線如圖5所示。通過分析可得道床板縱向整體受壓，且靠近地裂縫處受壓較大，說明地裂縫活動對靠近地裂縫處的道床板影響明顯。

圖3 橫向CFG樁樁端壓力變化曲線

圖4 橫向樁間土壓力變化曲線

圖5 道床板應變變化曲線

4)軌道應變分析

軌道應變變化曲線如圖6所示?？梢?，YBZ7縱向測線對應的軌道整體受壓，YBZ9縱向測線對應的軌道上盤受拉，下盤受壓，說明軌道會發(fā)生扭曲變形。

圖6 軌道應變變化曲線

5)水準高程變化分析

箱梁、道床板和軌道縱向測線測點高程變化見圖7，可知，跨過地裂縫的箱梁、道床板和軌道水準高程變化梯度大，而沒有跨過且遠離地裂縫的箱梁、道床板和軌道水準高程基本不變，這說明地裂縫活動對跨越地裂縫的箱梁影響較大，而對未跨越地裂縫的橋梁影響不大，甚至可忽略不計。

圖7 箱梁、道床板和軌道縱向測線測點高程變化曲線(XL代表箱梁，DL代表道床板，GL代表軌道)

2 結(jié)論

通過幾何比例尺1∶20的物理模型試驗，研究了活動地裂縫對與地裂縫小角度相交的高速鐵路的影響，得出如下結(jié)論:

1)隨地裂縫上盤沉降量的增加，樁端壓力主要表現(xiàn)為上盤減小，靠近地裂縫處較為明顯，下盤靠近地裂縫處樁端壓力明顯增大，具有應力集中現(xiàn)象。

2)當?shù)亓芽p垂直位錯量達到2 cm時，地表出現(xiàn)開裂，位于上盤靠近裂縫處，走向與裂縫基本一致。

3)當?shù)亓芽p垂直位錯量達到3 cm時，軌道道床板靠近地裂縫處開始出現(xiàn)裂縫，裂縫近于垂直道床板;當沉降量達到4 cm時，裂縫貫穿道床板。

4)隨著地裂縫的活動，跨過地裂縫的箱梁、道床板和軌道高程變化梯度大，而未跨過地裂縫的高程基本不變，說明地裂縫活動對跨過地裂縫的箱梁、道床板和軌道影響較大，而對未跨過的影響不大，甚至可以忽略。

[1]劉國昌.西安的地裂縫[M]//劉國昌.劉國昌工程地質(zhì)文集.陜西:陜西科學技術出版社，1992:259-271.

[2]李樹德，袁仁茂.大同地裂縫災害形成機理[J].北京大學學報:自然科學版，2002，38(1):104-108.

[3]王景明.地裂縫及其災害的理論與應用[M].西安:陜西科學技術出版社，2000.

[4]彭建兵，范文，黃強兵.西安市城市快速軌道交通二號線穿過地裂縫帶的結(jié)構(gòu)措施專題研究[R].西安:長安大學，2006.

[5]李國和，張建民，許再良，等.華北平原地面沉降對高速鐵路橋梁工程的影響[J].巖土工程學報，2009，31(3):346-352.

[6]田級生，王慶錄.河北平原地裂縫形成機制與防治[J].河北科學院學報，2003，20(3):187-192.

[7]李俊，劉金峰，莫多聞.河北平原地裂縫的分布規(guī)律及成因初探[J].水土保持研究，2003，10(3):62-65，116.