丽香铁路金沙江悬索桥岸坡地震动力响应分析

段思源, 张书豪

(西南交大地球科学与环境工程学院, 四川成都 611756)

随着我国铁路建设的不断发展，许多铁路工程项目要经过地震活跃地段，而工程高边坡在地震动力下的稳定性极大地影响着线路的安全性，由于地震引起的工程边坡失稳的例子更是数不胜数[1-3]。为保证线路的正常运行，保证人民生命财产的安全，高边坡的地震动力响应问题已成为铁路选线中不可忽略的重要部分。

目前研究边坡的动力问题一般通过三种方法[4-6]:拟静力法、数值分析法以及振动台实验法。本文以丽香铁路金沙江特大桥香格里拉岸斜坡为例，研究其在地震作用下的位移、应力的变化特征，得到数值分析结果为类似工程提供科学参考。

1 工程概况

1.1 地形地貌

金沙江特大桥桥址地处高中山区，桥址区的流向为NEE向，河面宽约100～220 m。香格里拉岸基岩裸露岸坡陡峭，主墩位于悬崖上，存在外倾结构面( 组合) 其倾角约 50 °，缓于自然岸坡; 桥墩下方有一条平行等高线的卸荷裂缝，延伸约 60 m。

1.2 地层岩性

香格里拉岸岩性为三叠系薄—中厚层板岩、片理化玄武岩。片理面微风化、无充填，产状为 N67 °W/55 °SW，走向与坡面小角度相交，层理发育。局部地段节理将岩体切割成碎块状，块径约 0.3～0.8 m，岩体呈层状碎裂结构。勘察表明，强卸荷带深度约 10.5 m，中度卸荷带深约10 m，从21 m后卸荷裂隙已基本密闭，为弱卸荷带。

1.3 地震烈度

按照《中国地震动参数区划图(2001)》中地震基本烈度与地震动峰值加速度的对应关系，线路北段的0.15g区对应地震基本烈度为Ⅶ度，中段的0.2g区和南段的0.3g区对应地震基本烈度为Ⅷ度。整个线路处在0.4 s的反应谱特征周期分区。

2 地震荷载下岸坡动力响应特征分析

根据地质平面图和剖面图，在有限差分软件FLAC3D中建立真三维模型，模型全长510 m，宽200 m，高566 m，模型中共有节点20 054个，单元112 568个，模型分为6个组，自上而下的地层分别为强卸荷带强风化片理化玄武岩、弱卸荷带强风化片理化玄武岩、未卸荷带强风化片理化玄武岩、弱风化片理化玄武岩，人工结构分别为桥梁桩基和隧道锚，图1和图2分别为计算模型示意图及计算模型透视示意图。

图1 计算模型示意

图2 计算模型透视示意

本次动力分析时的边界条件采用自由场边界，阻尼采用瑞利阻尼，最小临界阻尼比根据经验取0.05，中心频率取输入频率与系统自振频率的叠加值。

本文计算使用的地震波是1995年发生在日本兵库县南部的7.2级的阪神大地震，此次地震是日本二战以来遭受破坏最严重的地震之一。此地震的烈度和能量均超过桥址区近百年历史峰值，故利用该地震波模拟岸坡的动力响应问题所得到的结果具有一定参考价值。输入的阪神地震波水平方向和竖直方向的加速度时程如图3、图4所示。

图3 汶川地震波水平方向加速度时程

图4 汶川地震波竖直方向加速度时程

为便于分析地震荷载作用下岸坡的永久位移特点及塑性区分布情况，计算中所用的材料均为摩尔库伦材料，物理力学参数见表1。

2.1 位移分析

模型随时间变化的总位移及其矢量图见图5。在地震荷载作用5 s时，坡体中下部的位移最大，由矢量图可见，有整体抬升的趋势，10 s及其以后，坡顶在动荷载作用下易于失稳的特性开始显露，位移矢量图亦显示坡顶有顺坡向下的运动趋势，总体变形特征为，岸坡下部被压缩，后缘岩体变形大。

(a)5s

(b)10s

(c)15s

(d)20s图5 地震和在下模型总位移矢量图云图

2.2 应力分析

斜坡模型在整个动力计算过程中，最大主应力分布随时间的变化见图6， 斜坡大部分最大主应力以压应力为主，分布比较均匀，值由深部至表层逐渐减小，地震荷载作用下，最大主应力的最大值在3.198～3.403 MPa之间变化，地震对地应力的影响使地应力的波动在10 %左右，临近表层下部及坡体后缘部位会产生拉应力，拉应力值较小，值约374～406 MPa，达到了岩体抗拉强度，会造成岸坡表面局部的张拉破坏。

(a)5s

(b)10s

(c)15s

(d)20s图6 地震荷载作用下最大主应力云图

斜坡模型在整个动力计算过程中，最大剪应力分布随时间的变化见图7。最大剪应力值由深部至表层逐渐减小，地震荷载作用下，最大剪应力的最大值在3.530 4～3.706 2 MPa之间变化，地震对地应力的影响使剪应力的波动在5 %左右。

3 结论

本章利用FLAC3D有限差分数值模拟软件，建立了岸坡数值模型，通过分析模型在地震波作用下的位移、应力以及塑性区的分布情况，得出以下结论：

(1)地震开始后5 s，有整体抬升的趋势，10 s及其以后，坡顶在动荷载作用下易于失稳的特性开始显露，位移矢量图显示坡顶有顺坡向下的运动趋势，总体变形特征为，岸坡下部被压缩，后缘岩体变形大。

(2)斜坡大部分最大主应力以压应力为主，分布较均匀，值由深部至表层逐渐减小，地震荷载作用下，最大主应力的最大值在3.198～3.403 MPa之间变化，，临近表层下部及坡体后缘部位会产生拉应力，拉应力值较小，值约374～406 MPa，达到了岩体抗拉强度，会造成岸坡表面局部的张拉破坏。

(a)5s

(b)10s

(c)15s

(d)20s图7 地震荷载作用下最大剪应力云图

最大剪应力值由深部至表层逐渐减小，地震荷载作用下，最大剪应力的最大值在3.530 4～3.706 2 MPa之间变化。