張 敏,剪鑫磊,毛東升,曾 探,黃 健

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031;2.中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司,河北 廊坊 065000;3.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué)),成都 610059)

山區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜,人類工程活動(dòng)不可避免會(huì)誘發(fā)大量巖土體穩(wěn)定性問(wèn)題,一旦出現(xiàn)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn),若處置不及時(shí)會(huì)造成財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。如2010年4月25日,臺(tái)灣省3號(hào)公路基隆七堵路段3 k+250 m處邊坡在安全運(yùn)營(yíng)近6年時(shí)間后突發(fā)高速滑動(dòng)破壞［1］;四川省簡(jiǎn)陽(yáng)丹景鄉(xiāng)景區(qū)公路雷打石段路基,2010年在修筑時(shí)曾誘發(fā)斜坡變形,經(jīng)工程治理,安全運(yùn)營(yíng)8年后于2019年8月7日再次發(fā)生滑動(dòng)［2］。類似案例時(shí)有發(fā)生,提醒應(yīng)重視山區(qū)公路長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)條件下的邊坡變形失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)前邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范中,地震和暴雨是邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)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(cè)得的振動(dòng)強(qiáng)度可達(dá)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(dòng)強(qiáng)度)的7.8倍,是三峽庫(kù)區(qū)監(jiān)測(cè)的庫(kù)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(zhǎng)期的、不斷循環(huán)的微幅振動(dòng),明顯有別于地震和爆破,巖土體在其作用下的動(dòng)力響應(yīng)是復(fù)雜的。據(jù)文獻(xiàn)查閱,目前已開(kāi)展的相關(guān)工作包括:閆強(qiáng)等［6］利用ANSYS模擬公路邊坡開(kāi)挖的結(jié)果表明,有限元能夠很好地獲取邊坡動(dòng)力響應(yīng);趙文華［7］采用MIDAS分析了車輛荷載作用下橋臺(tái)、樁、土的變形過(guò)程,發(fā)現(xiàn)車速與車重對(duì)橋臺(tái)、樁、土的變形影響顯著;陳瑞青［8］對(duì)交通荷載作用下的土質(zhì)邊坡動(dòng)力響應(yīng)開(kāi)展了研究,認(rèn)識(shí)到邊坡坡面的響應(yīng)峰值與振動(dòng)荷載幅值呈正相關(guān)關(guān)系;李鵬［4］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)受車輛荷載作用邊坡的動(dòng)力響應(yīng),分析了車輛荷載、車速和車輛位置對(duì)振動(dòng)響應(yīng)的影響;簡(jiǎn)文彬等［9］通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)分析了巖體邊坡在交通振動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng),發(fā)現(xiàn)在振動(dòng)荷載長(zhǎng)期作用下,坡體原生裂隙發(fā)育貫通并導(dǎo)致坡體局部或整體失穩(wěn)?？梢?jiàn),交通荷載作用下巖土體動(dòng)力響應(yīng)研究主要集中于土質(zhì)邊坡或簡(jiǎn)化的巖質(zhì)邊坡,尚未考慮巖性組合及軟弱層等坡體結(jié)構(gòu)因素,而其恰恰又是控制斜坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵［10］。荷載模型主要是以正弦波或半正弦波來(lái)簡(jiǎn)化處理,忽略了交通荷載的隨機(jī)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(jié)構(gòu)特征基礎(chǔ)上,對(duì)交通振動(dòng)荷載在巖土體內(nèi)的傳播特征及動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律開(kāi)展進(jìn)一步研究。

鑒于此,本文以山區(qū)高速公路常見(jiàn)且易滑的順向橋基岸坡為研究對(duì)象,通過(guò)統(tǒng)計(jì)邊坡幾何尺寸、地質(zhì)屬性等參數(shù),概化邊坡地質(zhì)模型;利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)汽車振動(dòng)引起的坡表振動(dòng)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(chǔ)上,采用動(dòng)力有限元方法,分別模擬3種等效荷載下巖土體振動(dòng)特性,與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比,確定最優(yōu)的交通荷載等效模型。最后,進(jìn)一步得出汽車振動(dòng)循環(huán)作用下含軟弱層順向橋基岸坡動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律及對(duì)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(jié)構(gòu)及多種環(huán)境因素作用,包括車輛振動(dòng)對(duì)邊坡的長(zhǎng)期作用。通過(guò)對(duì)典型的順向橋基岸坡統(tǒng)計(jì)分析,提取關(guān)鍵地質(zhì)特征參數(shù),包括斜坡規(guī)模、巖性及組合關(guān)系、控制性結(jié)構(gòu)面等,構(gòu)建汽車振動(dòng)作用下含軟弱層順向橋基岸坡地質(zhì)概念模型。

1.1 順向橋基岸坡地質(zhì)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(jì)邊坡幾何尺寸(坡高和坡角)、巖性及組合關(guān)系、控制性結(jié)構(gòu)面(軟弱層厚度和后緣陡傾裂縫張開(kāi)度)共6個(gè)關(guān)鍵參數(shù)(圖1)。

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

由圖1可見(jiàn),邊坡高度分布于5～350 m,但在100 m坡高附近的邊坡數(shù)量最多(圖1-A);坡度分布于20°～70°,但在40°～50°的邊坡數(shù)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(jié)構(gòu),也是雨水的入滲通道;軟巖主要包括泥巖和頁(yè)巖,由于抗風(fēng)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(xué)性質(zhì)差,易轉(zhuǎn)化為滑帶。邊坡巖性組合關(guān)系對(duì)邊坡穩(wěn)定性起主要控制作用,從圖1-D中可見(jiàn),發(fā)生變形破壞的邊坡巖性組合主要表現(xiàn)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(jié)構(gòu)面,在重力作用下張開(kāi)形成陡傾坡外近垂直的裂縫(圖1-F),構(gòu)成失穩(wěn)邊坡的后緣邊界。

1.2 順向橋基岸坡地質(zhì)模型構(gòu)建

橋基岸坡地質(zhì)模型包括地質(zhì)要素、橋基結(jié)構(gòu)要素和大小要素,其中地質(zhì)要素根據(jù)典型的順向邊坡特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果確定,橋基結(jié)構(gòu)要素參考山區(qū)高速公路設(shè)計(jì)參數(shù),大小要素主要考慮數(shù)值模擬精度的影響。結(jié)合前人研究成果［20］,建立含軟弱層順向橋基岸坡地質(zhì)模型(圖2)。

圖2 含軟弱層順向橋基岸坡地質(zhì)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(zhì)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(dòng)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(jì)算精度［21］。模型邊界為黏性邊界,可有效解決動(dòng)力模擬過(guò)程中振動(dòng)波反射問(wèn)題［22］。據(jù)此,確定計(jì)算模型長(zhǎng)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(zhì)填充,以軟弱層考慮。橋基樁半徑為0.75 m,樁長(zhǎng)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(guò)程中,假設(shè)樁體為理想彈性體,樁身剛度與深度無(wú)關(guān)且不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),樁體與邊坡地層不發(fā)生分離。車輛與橋面接觸產(chǎn)生振動(dòng)自橋基傳至巖體,為簡(jiǎn)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(dòng)荷載豎向分量,水平作用力考慮振動(dòng)荷載水平分量。

2 橋基岸坡動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值分析

數(shù)值計(jì)算是開(kāi)展汽車振動(dòng)作用下巖土體動(dòng)力響應(yīng)研究的主要方法之一,但大多以正弦波或半正弦波來(lái)簡(jiǎn)化處理,與實(shí)際情況存在一定偏差。本文采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、信號(hào)處理及分析,提取巖土體動(dòng)力參數(shù),以構(gòu)建交通振動(dòng)等效荷載模型。在此基礎(chǔ)上,開(kāi)展含軟弱層順向橋基岸坡動(dòng)力有限元計(jì)算,分別從加速度、動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)位移的變化研究邊坡響應(yīng)規(guī)律,及其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

2.1 交通振動(dòng)等效荷載概化

根據(jù)橋基岸坡地質(zhì)模型,選取四川省雅西高速某順層含軟弱層的橋基岸坡進(jìn)行坡表振動(dòng)實(shí)測(cè)(圖3)。

圖3 汽車振動(dòng)引起巖土體振動(dòng)信號(hào)實(shí)測(cè)Fig.3 Field measurement on signal of rock mass caused by traffic vibration(A)實(shí)測(cè)點(diǎn)位布置圖; (B)G01NET-3振動(dòng)信號(hào)采集設(shè)備,技術(shù)參數(shù):輸入通道數(shù)量15,差分/單端輸入;采樣分辨率1～200 Hz;存儲(chǔ)容量16 G SD卡;動(dòng)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(gè)串口,1個(gè)USB口,1個(gè)T-USB口;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為文本格式

采用集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EEMD)對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪,利用快速傅里葉變換,實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)時(shí)域與頻域分析。以橋基豎向位置測(cè)點(diǎn)(b0)為例,確定交通振動(dòng)引起的有效振動(dòng)強(qiáng)度為0.138 m/s2(≈0.014 g),測(cè)量期間車輛主要為中小型車,速度控制在60 km/h,優(yōu)勢(shì)有效振動(dòng)頻率為18 Hz。據(jù)此,分別建立3種交通振動(dòng)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(shí)測(cè)波型(圖4-C),a為振動(dòng)強(qiáng)度(m/s2),a0為加速度峰值(m/s2),f為頻率(Hz),t為時(shí)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(dòng)等效荷載模型Fig.4 Generalized traffic vibration equivalent load model

2.2 動(dòng)力數(shù)值實(shí)驗(yàn)可行性分析

選用Midas GTS軟件,基于橋基岸坡地質(zhì)模型,建立汽車振動(dòng)作用下橋基岸坡動(dòng)力計(jì)算模型(圖5-A)。參數(shù)設(shè)置如圖5-B和圖5-C,根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告,各巖土體與橋基物理力學(xué)參數(shù)由室內(nèi)試驗(yàn)并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)值綜合確定(表2)?？紤]到巖土體材料具有顯著的非線性特征,動(dòng)力計(jì)算過(guò)程采用非線性時(shí)程分析法。通過(guò)特征值計(jì)算,確定巖體和結(jié)構(gòu)固有動(dòng)力特性,包括固有模態(tài)、周期、頻率和振型參與系數(shù)(表3)。

表2 模型材料參數(shù)取值表Table 2 Value of model material parameters

表3 特征值計(jì)算結(jié)果Table 3 Results of eigenvalue calculation

圖5 汽車振動(dòng)作用下橋基岸坡動(dòng)力計(jì)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(zhì)量參與率判定模型振型,一階振動(dòng)周期為0.461 s,對(duì)應(yīng)的質(zhì)量參與系數(shù)為47.54%;二階振動(dòng)周期為0.435 s,對(duì)應(yīng)的質(zhì)量參與系數(shù)為13.62%。動(dòng)荷載作用下邊坡整體都存在振動(dòng)響應(yīng),其中軟弱層以上巖體振動(dòng)響應(yīng)明顯,在一階振型下發(fā)生豎向振動(dòng),二階振型下發(fā)生扭轉(zhuǎn)。另外在動(dòng)力數(shù)值實(shí)驗(yàn)中,為了吸收散射波,避免出現(xiàn)波的疊加效應(yīng),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(shù)(cs,cp)分別由交通振動(dòng)在巖體中產(chǎn)生的剪切波波速(Cs)和壓縮波波速(Cp)及相應(yīng)的巖土體物理參數(shù)計(jì)算獲得(表4)。

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

基于構(gòu)建的計(jì)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(dòng)作用下橋基岸坡的動(dòng)力響應(yīng)。通過(guò)對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)點(diǎn)(圖3)與數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖5-B)在水平和豎直方向上的振動(dòng)加速度幅值,驗(yàn)證采用動(dòng)力有限元法進(jìn)行橋基岸坡汽車振動(dòng)作用下動(dòng)力響應(yīng)研究的可行性。對(duì)比結(jié)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(yīng)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果擬合較好,表明正弦波和不規(guī)則波在模擬汽車振動(dòng)作用下橋基岸坡動(dòng)力響應(yīng)方面優(yōu)于半正弦波。但是考慮到正弦波忽略了汽車振動(dòng)引起巖體振動(dòng)的隨機(jī)特性,因此最終采用不規(guī)則波等效荷載開(kāi)展進(jìn)一步巖土體動(dòng)力響應(yīng)分析。

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

2.3 動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值模擬與分析

基于構(gòu)建的計(jì)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(dòng)循環(huán)作用下含軟弱層順向橋基岸坡動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。邊坡加速度云圖(前0.05 s),當(dāng)振動(dòng)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(dòng)波傳至夾層時(shí),部分振動(dòng)波方向改變,并在橋基與夾層之間出現(xiàn)集中現(xiàn)象(圖7-B);待振動(dòng)波通過(guò)夾層后,加速度明顯降低,表明軟弱層的存在會(huì)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(cè)點(diǎn)(水平方向p0～p5,豎直方向z0～z5)加速度和動(dòng)應(yīng)力值(動(dòng)應(yīng)力取間隔2 m的計(jì)算值),繪制其隨距離的衰減曲線(圖8)?？梢?jiàn),加速度衰減曲線中(圖8-A),豎直方向振動(dòng)波傳播至軟弱層前能量未出現(xiàn)明顯衰減,距振源30 m的位置,加速度衰減7.97%,但是當(dāng)振動(dòng)波穿過(guò)軟弱層后,振動(dòng)衰減了63.56%(z3和z4);水平方向振動(dòng)衰減較快,距離10 m時(shí),振動(dòng)衰減了38.4%,隨后出現(xiàn)少量增加,表明后緣裂縫會(huì)造成振動(dòng)波反射而導(dǎo)致振動(dòng)效應(yīng)疊加。在動(dòng)應(yīng)力衰減曲線中(圖8-B),可見(jiàn)交通振動(dòng)荷載作用下,水平方向最大動(dòng)應(yīng)力在振源位置(18.3 kN/m2),距離振源越遠(yuǎn),動(dòng)應(yīng)力值越小。豎直方向動(dòng)應(yīng)力最大值在樁基端部(5.9 kN/m2),且在軟弱層位置出現(xiàn)了小范圍的升高,表明振動(dòng)波在軟弱層位置由于波的反射會(huì)出現(xiàn)疊加現(xiàn)象。

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

汽車振動(dòng)循環(huán)作用下含軟弱層順向橋基岸坡動(dòng)位移響應(yīng)特征如圖9所示,動(dòng)位移云圖與加速度類似,表現(xiàn)為振源附近的響應(yīng)最為強(qiáng)烈,最大動(dòng)位移9.482×10-5m,量值隨著向外擴(kuò)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(dòng)位移值,繪制動(dòng)位移隨距離的變化曲線(圖9-B)。水平方向上,動(dòng)位移隨距離增加呈現(xiàn)出均勻衰減的特征;豎直方向上,由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)z3、z4穿過(guò)了軟弱層,出現(xiàn)了動(dòng)位移驟降現(xiàn)象,可見(jiàn)軟弱層對(duì)邊坡動(dòng)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(dòng)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(dòng)力響應(yīng)模擬結(jié)果,可見(jiàn)汽車振動(dòng)對(duì)邊坡的動(dòng)力影響是顯著的,尤其是含軟弱層的坡體結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步采用強(qiáng)度折減法,分別計(jì)算橋基岸坡自重條件下與汽車振動(dòng)作用下的穩(wěn)定性系數(shù)(1.675和1.428),可見(jiàn),僅考慮了交通的振動(dòng)效應(yīng)已使邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低了0.25(15%)。因此,針對(duì)山區(qū)高速公路大量的含軟弱層順向橋基岸坡,在運(yùn)營(yíng)服役期內(nèi),邊坡穩(wěn)定狀況受車輛振動(dòng)荷載的不利影響應(yīng)予以重視。

3 結(jié) 論

本文以山區(qū)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下汽車振動(dòng)作用的橋基岸坡為對(duì)象,通過(guò)案例整理與統(tǒng)計(jì),建立典型的高速公路含軟弱層順向橋基岸坡地質(zhì)模型,利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析和數(shù)值計(jì)算等方法,開(kāi)展汽車振動(dòng)循環(huán)作用下含軟弱層順向邊坡動(dòng)力響應(yīng)研究。主要結(jié)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(xiàn)為厚層硬巖夾薄層軟巖。

b.現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)顯示交通有效振動(dòng)強(qiáng)度0.138 m/s2(0.014 g),頻率為18 Hz;對(duì)比實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬結(jié)果,確定汽車振動(dòng)最優(yōu)的等效荷載模型,即不規(guī)則波荷載。

c.汽車振動(dòng)引起巖體動(dòng)力參數(shù)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(dòng)位移表現(xiàn)為加速衰減,而動(dòng)應(yīng)力則反之出現(xiàn)了局部升高現(xiàn)象。

d.對(duì)比分析是否考慮汽車振動(dòng)的邊坡穩(wěn)定狀況計(jì)算結(jié)果,對(duì)于運(yùn)營(yíng)期的邊坡長(zhǎng)期穩(wěn)定性問(wèn)題,尤其是含軟弱層的順向坡,車輛振動(dòng)產(chǎn)生的不利影響應(yīng)引起重視。