麗香鐵路金沙江懸索橋岸坡地震動力響應分析

段思源, 張書豪

(西南交大地球科學與環境工程學院, 四川成都 611756)

隨著我國鐵路建設的不斷發展，許多鐵路工程項目要經過地震活躍地段，而工程高邊坡在地震動力下的穩定性極大地影響著線路的安全性，由于地震引起的工程邊坡失穩的例子更是數不勝數[1-3]。為保證線路的正常運行，保證人民生命財產的安全，高邊坡的地震動力響應問題已成為鐵路選線中不可忽略的重要部分。

目前研究邊坡的動力問題一般通過三種方法[4-6]:擬靜力法、數值分析法以及振動臺實驗法。本文以麗香鐵路金沙江特大橋香格里拉岸斜坡為例，研究其在地震作用下的位移、應力的變化特征，得到數值分析結果為類似工程提供科學參考。

1 工程概況

1.1 地形地貌

金沙江特大橋橋址地處高中山區，橋址區的流向為NEE向，河面寬約100～220 m。香格里拉岸基巖裸露岸坡陡峭，主墩位于懸崖上，存在外傾結構面( 組合) 其傾角約 50 °，緩于自然岸坡; 橋墩下方有一條平行等高線的卸荷裂縫，延伸約 60 m。

1.2 地層巖性

香格里拉岸巖性為三疊系薄—中厚層板巖、片理化玄武巖。片理面微風化、無充填，產狀為 N67 °W/55 °SW，走向與坡面小角度相交，層理發育。局部地段節理將巖體切割成碎塊狀，塊徑約 0.3～0.8 m，巖體呈層狀碎裂結構?？辈毂砻?，強卸荷帶深度約 10.5 m，中度卸荷帶深約10 m，從21 m后卸荷裂隙已基本密閉，為弱卸荷帶。

1.3 地震烈度

按照《中國地震動參數區劃圖(2001)》中地震基本烈度與地震動峰值加速度的對應關系，線路北段的0.15g區對應地震基本烈度為Ⅶ度，中段的0.2g區和南段的0.3g區對應地震基本烈度為Ⅷ度。整個線路處在0.4 s的反應譜特征周期分區。

2 地震荷載下岸坡動力響應特征分析

根據地質平面圖和剖面圖，在有限差分軟件FLAC3D中建立真三維模型，模型全長510 m，寬200 m，高566 m，模型中共有節點20 054個，單元112 568個，模型分為6個組，自上而下的地層分別為強卸荷帶強風化片理化玄武巖、弱卸荷帶強風化片理化玄武巖、未卸荷帶強風化片理化玄武巖、弱風化片理化玄武巖，人工結構分別為橋梁樁基和隧道錨，圖1和圖2分別為計算模型示意圖及計算模型透視示意圖。

圖1 計算模型示意

圖2 計算模型透視示意

本次動力分析時的邊界條件采用自由場邊界，阻尼采用瑞利阻尼，最小臨界阻尼比根據經驗取0.05，中心頻率取輸入頻率與系統自振頻率的疊加值。

本文計算使用的地震波是1995年發生在日本兵庫縣南部的7.2級的阪神大地震，此次地震是日本二戰以來遭受破壞最嚴重的地震之一。此地震的烈度和能量均超過橋址區近百年歷史峰值，故利用該地震波模擬岸坡的動力響應問題所得到的結果具有一定參考價值。輸入的阪神地震波水平方向和豎直方向的加速度時程如圖3、圖4所示。

圖3 汶川地震波水平方向加速度時程

圖4 汶川地震波豎直方向加速度時程

為便于分析地震荷載作用下岸坡的永久位移特點及塑性區分布情況，計算中所用的材料均為摩爾庫倫材料，物理力學參數見表1。

2.1 位移分析

模型隨時間變化的總位移及其矢量圖見圖5。在地震荷載作用5 s時，坡體中下部的位移最大，由矢量圖可見，有整體抬升的趨勢，10 s及其以后，坡頂在動荷載作用下易于失穩的特性開始顯露，位移矢量圖亦顯示坡頂有順坡向下的運動趨勢，總體變形特征為，岸坡下部被壓縮，后緣巖體變形大。

(a)5s

(b)10s

(c)15s

(d)20s圖5 地震和在下模型總位移矢量圖云圖

2.2 應力分析

斜坡模型在整個動力計算過程中，最大主應力分布隨時間的變化見圖6， 斜坡大部分最大主應力以壓應力為主，分布比較均勻，值由深部至表層逐漸減小，地震荷載作用下，最大主應力的最大值在3.198～3.403 MPa之間變化，地震對地應力的影響使地應力的波動在10 %左右，臨近表層下部及坡體后緣部位會產生拉應力，拉應力值較小，值約374～406 MPa，達到了巖體抗拉強度，會造成岸坡表面局部的張拉破壞。

(a)5s

(b)10s

(c)15s

(d)20s圖6 地震荷載作用下最大主應力云圖

斜坡模型在整個動力計算過程中，最大剪應力分布隨時間的變化見圖7。最大剪應力值由深部至表層逐漸減小，地震荷載作用下，最大剪應力的最大值在3.530 4～3.706 2 MPa之間變化，地震對地應力的影響使剪應力的波動在5 %左右。

3 結論

本章利用FLAC3D有限差分數值模擬軟件，建立了岸坡數值模型，通過分析模型在地震波作用下的位移、應力以及塑性區的分布情況，得出以下結論：

(1)地震開始后5 s，有整體抬升的趨勢，10 s及其以后，坡頂在動荷載作用下易于失穩的特性開始顯露，位移矢量圖顯示坡頂有順坡向下的運動趨勢，總體變形特征為，岸坡下部被壓縮，后緣巖體變形大。

(2)斜坡大部分最大主應力以壓應力為主，分布較均勻，值由深部至表層逐漸減小，地震荷載作用下，最大主應力的最大值在3.198～3.403 MPa之間變化，，臨近表層下部及坡體后緣部位會產生拉應力，拉應力值較小，值約374～406 MPa，達到了巖體抗拉強度，會造成岸坡表面局部的張拉破壞。

(a)5s

(b)10s

(c)15s

(d)20s圖7 地震荷載作用下最大剪應力云圖

最大剪應力值由深部至表層逐漸減小，地震荷載作用下，最大剪應力的最大值在3.530 4～3.706 2 MPa之間變化。