汽车振动作用下含软弱层顺向桥基岸坡动力响应规律研究

张 敏,剪鑫磊,毛东升,曾 探,黄 健

(1.中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031;2.中国石油天然气管道工程有限公司,河北 廊坊 065000;3.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059)

山区地质环境条件复杂,人类工程活动不可避免会诱发大量岩土体稳定性问题,一旦出现失稳风险,若处置不及时会造成财产损失和人员伤亡。如2010年4月25日,台湾省3号公路基隆七堵路段3 k+250 m处边坡在安全运营近6年时间后突发高速滑动破坏［1］;四川省简阳丹景乡景区公路雷打石段路基,2010年在修筑时曾诱发斜坡变形,经工程治理,安全运营8年后于2019年8月7日再次发生滑动［2］。类似案例时有发生,提醒应重视山区公路长期运营条件下的边坡变形失稳风险。

当前边坡设计规范中,地震和暴雨是边坡稳定性评价的主要影响因素。但随着车辆载重和行驶速度增加,路面已测得的振动强度可达3.8 m/s2,是地震诱发滑坡峰值加速度下限值0.05 g(g为重力加速度,g=9.8 m/s2,下文均用加速度表示振动强度)的7.8倍,是三峡库区监测的库水诱发地震加速度峰值0.22 m/s2的17.3倍［3-5］。另外,交通荷载是一种长期的、不断循环的微幅振动,明显有别于地震和爆破,岩土体在其作用下的动力响应是复杂的。据文献查阅,目前已开展的相关工作包括:闫强等［6］利用ANSYS模拟公路边坡开挖的结果表明,有限元能够很好地获取边坡动力响应;赵文华［7］采用MIDAS分析了车辆荷载作用下桥台、桩、土的变形过程,发现车速与车重对桥台、桩、土的变形影响显著;陈瑞青［8］对交通荷载作用下的土质边坡动力响应开展了研究,认识到边坡坡面的响应峰值与振动荷载幅值呈正相关关系;李鹏［4］通过现场实测受车辆荷载作用边坡的动力响应,分析了车辆荷载、车速和车辆位置对振动响应的影响;简文彬等［9］通过振动台试验分析了岩体边坡在交通振动荷载作用下的动力响应,发现在振动荷载长期作用下,坡体原生裂隙发育贯通并导致坡体局部或整体失稳。可见,交通荷载作用下岩土体动力响应研究主要集中于土质边坡或简化的岩质边坡,尚未考虑岩性组合及软弱层等坡体结构因素,而其恰恰又是控制斜坡稳定性的关键［10］。荷载模型主要是以正弦波或半正弦波来简化处理,忽略了交通荷载的随机特性;研究方法主要以线性分析和模态分析为主,忽略了岩土体的非线性特征。为此,亟需在考虑坡体结构特征基础上,对交通振动荷载在岩土体内的传播特征及动力响应规律开展进一步研究。

鉴于此,本文以山区高速公路常见且易滑的顺向桥基岸坡为研究对象,通过统计边坡几何尺寸、地质属性等参数,概化边坡地质模型;利用现场实测汽车振动引起的坡表振动加速度,概化交通荷载等效模型(正弦波、半正弦波及不规则波)。在此基础上,采用动力有限元方法,分别模拟3种等效荷载下岩土体振动特性,与实测数据对比,确定最优的交通荷载等效模型。最后,进一步得出汽车振动循环作用下含软弱层顺向桥基岸坡动力响应规律及对边坡稳定性的影响。

1 山区公路顺向桥基岸坡特征

山区公路桥基岸坡稳定状况,受坡体结构及多种环境因素作用,包括车辆振动对边坡的长期作用。通过对典型的顺向桥基岸坡统计分析,提取关键地质特征参数,包括斜坡规模、岩性及组合关系、控制性结构面等,构建汽车振动作用下含软弱层顺向桥基岸坡地质概念模型。

1.1 顺向桥基岸坡地质特征分析

收集已发生变形破坏的典型含软弱层顺向边坡案例［11-19］(表1,限于篇幅仅列出10例),统计边坡几何尺寸(坡高和坡角)、岩性及组合关系、控制性结构面(软弱层厚度和后缘陡倾裂缝张开度)共6个关键参数(图1)。

图1 含软弱层顺向边坡特征统计结果Fig.1 Statistics of the dip-bedding slope characteristics with weak interlayer

由图1可见,边坡高度分布于5～350 m,但在100 m坡高附近的边坡数量最多(图1-A);坡度分布于20°～70°,但在40°～50°的边坡数量最多(图1-B)。边坡岩性可分为硬岩和软岩2类,其中硬岩主要包括灰岩和砂岩(图1-C),呈硬脆性,常发育多组节理切割岩体形成块状、层状和碎裂等结构,也是雨水的入渗通道;软岩主要包括泥岩和页岩,由于抗风化能力弱、遇水易软化等特性常形成具有一定厚度的软弱层,其力学性质差,易转化为滑带。边坡岩性组合关系对边坡稳定性起主要控制作用,从图1-D中可见,发生变形破坏的边坡岩性组合主要表现为厚层的硬岩夹薄层的软岩为主,软弱层发育厚度在0.5 m左右(图1-E)。此外,顺层边坡常发育一组陡倾坡外结构面,在重力作用下张开形成陡倾坡外近垂直的裂缝(图1-F),构成失稳边坡的后缘边界。

1.2 顺向桥基岸坡地质模型构建

桥基岸坡地质模型包括地质要素、桥基结构要素和大小要素,其中地质要素根据典型的顺向边坡特征统计结果确定,桥基结构要素参考山区高速公路设计参数,大小要素主要考虑数值模拟精度的影响。结合前人研究成果［20］,建立含软弱层顺向桥基岸坡地质模型(图2)。

图2 含软弱层顺向桥基岸坡地质模型Fig.2 Geological model of bridge foundation and dip-bedding slope with weak interlayer

该含软弱层顺向桥基岸坡地质模型,岩性组合为硬岩(砂岩)夹软岩(泥岩),后缘陡倾裂隙75°,薄层泥岩(0.5 m)为潜在滑动面。模型大小:上下间距>2 h(h为边坡高度),左右边界距离坡体不少于2.5 h情况下才能保证计算精度［21］。模型边界为黏性边界,可有效解决动力模拟过程中振动波反射问题［22］。据此,确定计算模型长500 m、高200 m、坡高100 m、坡角45°。软弱层出露于前缘坡表1/3处,后缘陡倾裂隙闭合且泥质填充,以软弱层考虑。桥基桩半径为0.75 m,桩长嵌入坡体20 m,单幅桥面桥基间距5.5 m,两幅桥面桥基间距为4 m,共4根基桩。模拟过程中,假设桩体为理想弹性体,桩身刚度与深度无关且不发生转动,桩体与边坡地层不发生分离。车辆与桥面接触产生振动自桥基传至岩体,为简化处理,不考虑边坡以上的桥基及桥体,竖向作用力考虑上覆等效自重与振动荷载竖向分量,水平作用力考虑振动荷载水平分量。

2 桥基岸坡动力响应数值分析

数值计算是开展汽车振动作用下岩土体动力响应研究的主要方法之一,但大多以正弦波或半正弦波来简化处理,与实际情况存在一定偏差。本文采用现场实测、信号处理及分析,提取岩土体动力参数,以构建交通振动等效荷载模型。在此基础上,开展含软弱层顺向桥基岸坡动力有限元计算,分别从加速度、动应力和动位移的变化研究边坡响应规律,及其对边坡稳定性的影响。

2.1 交通振动等效荷载概化

根据桥基岸坡地质模型,选取四川省雅西高速某顺层含软弱层的桥基岸坡进行坡表振动实测(图3)。

图3 汽车振动引起岩土体振动信号实测Fig.3 Field measurement on signal of rock mass caused by traffic vibration(A)实测点位布置图; (B)G01NET-3振动信号采集设备,技术参数:输入通道数量15,差分/单端输入;采样分辨率1～200 Hz;存储容量16 G SD卡;动态范围≥110 dB;程控放大1倍、10倍、100倍、1 000倍;大小为250 mm×250 mm×220 mm;外部接口2个串口,1个USB口,1个T-USB口;数据存储为文本格式

采用集合经验模态分解(EEMD)对信号进行降噪,利用快速傅里叶变换,实现振动信号时域与频域分析。以桥基竖向位置测点(b0)为例,确定交通振动引起的有效振动强度为0.138 m/s2(≈0.014 g),测量期间车辆主要为中小型车,速度控制在60 km/h,优势有效振动频率为18 Hz。据此,分别建立3种交通振动等效荷载概化模型:正弦波型(图4-A),半正弦波型(图4-B)及不规则波型,即降噪后的实测波型(图4-C),a为振动强度(m/s2),a0为加速度峰值(m/s2),f为频率(Hz),t为时间(s)。

(A)正弦波荷载模型a=a0 sin(2πft);(B)半正弦波荷载模型a=a0|sin(2πft)|; (C)不规则波荷载模型图4 概化的交通振动等效荷载模型Fig.4 Generalized traffic vibration equivalent load model

2.2 动力数值实验可行性分析

选用Midas GTS软件,基于桥基岸坡地质模型,建立汽车振动作用下桥基岸坡动力计算模型(图5-A)。参数设置如图5-B和图5-C,根据岩土工程勘察报告,各岩土体与桥基物理力学参数由室内试验并结合经验值综合确定(表2)。考虑到岩土体材料具有显著的非线性特征,动力计算过程采用非线性时程分析法。通过特征值计算,确定岩体和结构固有动力特性,包括固有模态、周期、频率和振型参与系数(表3)。

表2 模型材料参数取值表Table 2 Value of model material parameters

表3 特征值计算结果Table 3 Results of eigenvalue calculation

图5 汽车振动作用下桥基岸坡动力计算模型Fig.5 Dynamic calculation model for the slope of bridge foundation under traffic vibration

模型以Y轴(重力方向)的质量参与率判定模型振型,一阶振动周期为0.461 s,对应的质量参与系数为47.54%;二阶振动周期为0.435 s,对应的质量参与系数为13.62%。动荷载作用下边坡整体都存在振动响应,其中软弱层以上岩体振动响应明显,在一阶振型下发生竖向振动,二阶振型下发生扭转。另外在动力数值实验中,为了吸收散射波,避免出现波的叠加效应,在边界单元上引入黏性边界(图5-A)。模型的黏性边界确定为阻尼弹簧,阻尼系数(cs,cp)分别由交通振动在岩体中产生的剪切波波速(Cs)和压缩波波速(Cp)及相应的岩土体物理参数计算获得(表4)。

表4 模拟岩土体阻尼系数Table 4 Damping coefficient of simulated rock mass

基于构建的计算模型(未考虑夹层和后缘裂缝),分别施加3种概化的等效荷载(正弦波、半正弦波及不规则波),模拟汽车振动作用下桥基岸坡的动力响应。通过对比现场实测点(图3)与数值模拟监测点(图5-B)在水平和竖直方向上的振动加速度幅值,验证采用动力有限元法进行桥基岸坡汽车振动作用下动力响应研究的可行性。对比结果如图6所示,正弦波和不规则波荷载得到的加速度响应结果与现场实测结果拟合较好,表明正弦波和不规则波在模拟汽车振动作用下桥基岸坡动力响应方面优于半正弦波。但是考虑到正弦波忽略了汽车振动引起岩体振动的随机特性,因此最终采用不规则波等效荷载开展进一步岩土体动力响应分析。

图6 三种等效荷载作用下的坡表加速度对比分析Fig.6 Comparative analysis of slope surface acceleration under three kinds of equivalent loads

2.3 动力响应数值模拟与分析

基于构建的计算模型(考虑夹层和后缘裂缝),加载不规则波等效荷载,研究汽车振动循环作用下含软弱层顺向桥基岸坡动力响应规律。边坡加速度云图(前0.05 s),当振动波传播至夹层之前,加速度云图呈椭圆状分布(图7-A);待振动波传至夹层时,部分振动波方向改变,并在桥基与夹层之间出现集中现象(图7-B);待振动波通过夹层后,加速度明显降低,表明软弱层的存在会促使加速度快速衰减(图7-C)。

图7 不规则波等效荷载作用下桥基岸坡加速度云图Fig.7 Acceleration cloud image of bridge foundation bank slope under irregular wave equivalent load

提取监测点(水平方向p0～p5,竖直方向z0～z5)加速度和动应力值(动应力取间隔2 m的计算值),绘制其随距离的衰减曲线(图8)。可见,加速度衰减曲线中(图8-A),竖直方向振动波传播至软弱层前能量未出现明显衰减,距振源30 m的位置,加速度衰减7.97%,但是当振动波穿过软弱层后,振动衰减了63.56%(z3和z4);水平方向振动衰减较快,距离10 m时,振动衰减了38.4%,随后出现少量增加,表明后缘裂缝会造成振动波反射而导致振动效应叠加。在动应力衰减曲线中(图8-B),可见交通振动荷载作用下,水平方向最大动应力在振源位置(18.3 kN/m2),距离振源越远,动应力值越小。竖直方向动应力最大值在桩基端部(5.9 kN/m2),且在软弱层位置出现了小范围的升高,表明振动波在软弱层位置由于波的反射会出现叠加现象。

图8 不规则波等效荷载作用下桥基岸坡动力响应特征Fig.8 Dynamic response characteristics of bank slope of bridge foundation under irregular wave equivalent load

汽车振动循环作用下含软弱层顺向桥基岸坡动位移响应特征如图9所示,动位移云图与加速度类似,表现为振源附近的响应最为强烈,最大动位移9.482×10-5m,量值随着向外扩散传播距离的增大而减小(图9-A)。提取竖直方向和水平方向动位移值,绘制动位移随距离的变化曲线(图9-B)。水平方向上,动位移随距离增加呈现出均匀衰减的特征;竖直方向上,由于监测点z3、z4穿过了软弱层,出现了动位移骤降现象,可见软弱层对边坡动位移具有显著的影响。

图9 不规则波等效荷载作用下含软弱层顺向桥基岸坡动位移特征Fig.9 Dynamic displacement characteristics of bank slope of bridge foundation with weak layer under irregular wave equivalent load

综合不规则波等效荷载作用下含软弱层顺向桥基岸坡的动力响应模拟结果,可见汽车振动对边坡的动力影响是显著的,尤其是含软弱层的坡体结构。进一步采用强度折减法,分别计算桥基岸坡自重条件下与汽车振动作用下的稳定性系数(1.675和1.428),可见,仅考虑了交通的振动效应已使边坡稳定性系数降低了0.25(15%)。因此,针对山区高速公路大量的含软弱层顺向桥基岸坡,在运营服役期内,边坡稳定状况受车辆振动荷载的不利影响应予以重视。

3 结 论

本文以山区复杂地质环境下汽车振动作用的桥基岸坡为对象,通过案例整理与统计,建立典型的高速公路含软弱层顺向桥基岸坡地质模型,利用现场实测、理论分析和数值计算等方法,开展汽车振动循环作用下含软弱层顺向边坡动力响应研究。主要结论如下:

a.山区高速公路发生变形破坏的边坡岩性组合多表现为厚层硬岩夹薄层软岩。

b.现场实测显示交通有效振动强度0.138 m/s2(0.014 g),频率为18 Hz;对比实测值与数值模拟结果,确定汽车振动最优的等效荷载模型,即不规则波荷载。

c.汽车振动引起岩体动力参数随距离主要呈衰减特征,且受软弱层显著影响,其中加速度和动位移表现为加速衰减,而动应力则反之出现了局部升高现象。

d.对比分析是否考虑汽车振动的边坡稳定状况计算结果,对于运营期的边坡长期稳定性问题,尤其是含软弱层的顺向坡,车辆振动产生的不利影响应引起重视。