地裂缝对高速铁路桥梁的破坏机理研究

张茵涛，张 晨，黄强兵

(1.大西铁路客运专线有限责任公司，山西太原 030027;2.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251;3.长安大学，陕西 西安 710064)

随着高速铁路的大量建设，各种地质灾害逐渐显露出来，其中活动性地裂缝是最为严重的一种灾害。由于高速铁路对轨道平顺性和精度要求极高，活动性地裂缝对于高速铁路的影响十分突出。

国外对地裂缝问题的研究以美国开展得最广泛，研究的程度较深。早在20世纪20年代后期，美国学者就开始了地裂缝问题及其成因的研究，至今已形成三种不同的观点:构造成因、地下水开采成因和构造与地下水开采复合成因。其他国家如土耳其、泰国、墨西哥、澳大利亚以及非洲的肯尼亚、埃塞俄比亚等也先后发现了地裂缝问题，但与美国相比，其研究程度相对较低。

我国是地裂缝灾害最为严重的国家之一，首例地裂缝是20世纪50年代末在陕西省西安市西北大学校园内发现的[1]。80年代以来我国地裂缝迅速增加，其分布之广、发展之快、危害之大，令人震惊[2-5]。分布范围遍及全国各省，其中华北地区的地裂缝灾害最为严重。田级生等[6]对河北平原地裂缝进行了成因类型分类;李俊等[7]对河北平原地裂缝分布规律及成因进行了分析，认为河北平原地裂缝的成因是以构造运动、地震为主导因素，水的活动为诱发因素，地形地貌、土体岩性为影响因素。

1 物理模型试验

1.1 试验目的

为了揭示地裂缝的影响机理，通过几何比例尺1∶20、高速铁路桥梁45°穿越地裂缝带的物理模型试验，重点研究地裂缝不同活动量作用下高速铁路桥梁中的应力变化规律、桥梁变形破坏区范围和失稳特征，以及桥梁与轨道二者之间的相互作用，分析活动地裂缝作用下高速铁路桥梁与轨道变形破坏的响应关系，确定地裂缝作用下桥梁及轨道的变形失稳模式，为高速铁路桥梁跨越地裂缝地段的工程防治措施提供科学依据。

1.2 试验原理及装置

1)试验原理

高速铁路沿线地裂缝的活动方式是上盘以近垂直向为主的沉降运动，下盘略为上升或稳定不动，具有正断层性质。其过程较为缓慢，且具有随时间累积的特征。在浅地表剖面上地裂缝面是一个剪切薄弱面。试验模型箱两侧用钢结构组成的支撑结构施以水平约束。为了便于观察试验过程，其中一侧使用钢结构与钢化玻璃组成的支撑结构作为水平约束。试验开始之前将所有底部沉降平台的千斤顶升高15 cm，试验过程中模型下盘千斤顶不动，人为控制上盘千斤顶的下降，施加上盘下降的位移边界条件来模拟地裂缝的活动。

2)试验装置

图1 地裂缝与高铁路基试验模型示意(单位:mm)

试验模型如图1所示，本次模型试验在长安大学大型物理模型试验中心地裂缝活动试验箱上进行，试验设备由升降系统、支撑系统、监测系统组成。升降系统由14个量程30 t的千斤顶组成，其中7个千斤顶位于上盘，另外7个千斤顶位于下盘，上盘千斤顶用于控制地裂缝升降，下盘千斤顶主要起到支撑作用。可根据地裂缝与高速铁路线路夹角大小控制千斤顶位置，通过升降系统可以控制沉降平台的下降速度，模拟地裂缝上盘下降。支撑系统由试验底部平台与其两侧钢结构侧板组成。监测系统包括监测元件和数据采集系统，试验中使用的监测系统包括高程监测装置、应变传感器、钢弦式压力盒等。高程监测数据由DS3水准仪采集，应变式测试元件数据由DH3816数据采集系统采集，钢弦式压力盒数据由SZZX-ZH型读数仪采集。试验系统如图2所示。

图2 模型试验系统

1.3 试验结果分析

1)钢筋混凝土桩端应力分析

图3为横向CFG桩桩端压力变化曲线，由图可知，随地裂缝上盘沉降量(即地裂缝位错量)的增加，桩端压力主要表现为下盘最靠近地裂缝的桩端压力增加明显，有应力集中的趋势。

2)桩间土压力分析

图4为地裂缝不同位错作用下沿路基横向桩间土压力的变化曲线。与桩端压力相比，桩间土所受压力要明显小得多，说明CFG桩承担了较多的上部荷载。各桩桩间土所受的压力差较各桩桩端压力差小，说明随着沉降量的增大，桩间土压力变化较小。

3)道床板应变分析

道床板应变变化曲线如图5所示。通过分析可得道床板纵向整体受压，且靠近地裂缝处受压较大，说明地裂缝活动对靠近地裂缝处的道床板影响明显。

图3 横向CFG桩桩端压力变化曲线

图4 横向桩间土压力变化曲线

图5 道床板应变变化曲线

4)轨道应变分析

轨道应变变化曲线如图6所示。可见，YBZ7纵向测线对应的轨道整体受压，YBZ9纵向测线对应的轨道上盘受拉，下盘受压，说明轨道会发生扭曲变形。

图6 轨道应变变化曲线

5)水准高程变化分析

箱梁、道床板和轨道纵向测线测点高程变化见图7，可知，跨过地裂缝的箱梁、道床板和轨道水准高程变化梯度大，而没有跨过且远离地裂缝的箱梁、道床板和轨道水准高程基本不变，这说明地裂缝活动对跨越地裂缝的箱梁影响较大，而对未跨越地裂缝的桥梁影响不大，甚至可忽略不计。

图7 箱梁、道床板和轨道纵向测线测点高程变化曲线(XL代表箱梁，DL代表道床板，GL代表轨道)

2 结论

通过几何比例尺1∶20的物理模型试验，研究了活动地裂缝对与地裂缝小角度相交的高速铁路的影响，得出如下结论:

1)随地裂缝上盘沉降量的增加，桩端压力主要表现为上盘减小，靠近地裂缝处较为明显，下盘靠近地裂缝处桩端压力明显增大，具有应力集中现象。

2)当地裂缝垂直位错量达到2 cm时，地表出现开裂，位于上盘靠近裂缝处，走向与裂缝基本一致。

3)当地裂缝垂直位错量达到3 cm时，轨道道床板靠近地裂缝处开始出现裂缝，裂缝近于垂直道床板;当沉降量达到4 cm时，裂缝贯穿道床板。

4)随着地裂缝的活动，跨过地裂缝的箱梁、道床板和轨道高程变化梯度大，而未跨过地裂缝的高程基本不变，说明地裂缝活动对跨过地裂缝的箱梁、道床板和轨道影响较大，而对未跨过的影响不大，甚至可以忽略。

[1]刘国昌.西安的地裂缝[M]//刘国昌.刘国昌工程地质文集.陕西:陕西科学技术出版社，1992:259-271.

[2]李树德，袁仁茂.大同地裂缝灾害形成机理[J].北京大学学报:自然科学版，2002，38(1):104-108.

[3]王景明.地裂缝及其灾害的理论与应用[M].西安:陕西科学技术出版社，2000.

[4]彭建兵，范文，黄强兵.西安市城市快速轨道交通二号线穿过地裂缝带的结构措施专题研究[R].西安:长安大学，2006.

[5]李国和，张建民，许再良，等.华北平原地面沉降对高速铁路桥梁工程的影响[J].岩土工程学报，2009，31(3):346-352.

[6]田级生，王庆录.河北平原地裂缝形成机制与防治[J].河北科学院学报，2003，20(3):187-192.

[7]李俊，刘金峰，莫多闻.河北平原地裂缝的分布规律及成因初探[J].水土保持研究，2003，10(3):62-65，116.