跨地裂縫帶云軌橋梁結(jié)構(gòu)變形與力學(xué)特征

高 歡，黃強(qiáng)兵,2*，姜紫看，翟 越,2

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054； 2. 長(zhǎng)安大學(xué) 西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054； 3. 陜西省高速公路建設(shè)集團(tuán)公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

云軌系統(tǒng)，又稱跨座式單軌列車系統(tǒng)，最大運(yùn)能單向每小時(shí)(1～3)×104人次，最高速度可達(dá)80 km·h-1，其整體造價(jià)低，屬于中小運(yùn)量軌道交通[1]。眾所周知，城市地鐵是未來(lái)城市軌道交通的主干線，對(duì)緩解城市擁堵、促進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展具有十分重要的作用，但地鐵建設(shè)周期長(zhǎng)、運(yùn)營(yíng)成本高，尤其是遇到地下特殊地質(zhì)條件及文物時(shí)，建設(shè)成本和周期均會(huì)受到較大影響，而受地質(zhì)環(huán)境影響較小、建設(shè)速度快且投資少的中小運(yùn)量單軌軌道交通可以實(shí)現(xiàn)與地鐵線路的有機(jī)銜接。中國(guó)單軌軌道交通建設(shè)起步較晚，2000年重慶市開(kāi)始修建跨座式單軌列車系統(tǒng)，于2005年完成并運(yùn)營(yíng)[2]。2016年，比亞迪空中巴士云軌在深圳市坪山新區(qū)正式通車，目前全國(guó)已有20座城市規(guī)劃增設(shè)云軌，可以預(yù)見(jiàn)在未來(lái)城市交通中將形成以“地鐵+道路客運(yùn)+云軌”組成主干線-支線-輔線的立體交通體系。

圖1 地裂縫對(duì)道路和橋梁的變形破壞Fig.1 Ground Fissures on Deformation and Failure of Road and Bridge

為了緩解當(dāng)前城市交通壓力，西安市高新區(qū)云軌示范線工程提上議程。然而，西安市高新區(qū)云軌示范線工程建設(shè)正面臨著一個(gè)地質(zhì)難題——地裂縫。地裂縫是西安市最典型的城市地質(zhì)災(zāi)害，已探明的14條地裂縫平面上呈明顯的定向性、成帶性和似等間距性特征，剖面上呈上寬下窄的楔形[3]。這些地裂縫橫貫整個(gè)市區(qū)，穿越工廠、學(xué)校和民房，橫切地下洞室、路基，錯(cuò)斷高架橋梁，造成建(構(gòu))筑物破壞、橋梁和道路變形、管道破裂等(圖1)，給西安市市政建設(shè)帶來(lái)了嚴(yán)重危害。顯然，地裂縫活動(dòng)將會(huì)給西安市高新區(qū)云軌示范線工程建設(shè)帶來(lái)嚴(yán)重安全挑戰(zhàn)，會(huì)導(dǎo)致其附近地層及地表變形、云軌橋梁樁基礎(chǔ)傾斜，影響云軌軌道列車行駛平順性，嚴(yán)重時(shí)甚至引起云軌落梁等重大交通安全事故。

國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者針對(duì)軌道交通跨地裂縫帶進(jìn)行了研究。彭建兵等分析了地裂縫作用下地鐵隧道、道路、房屋建筑、橋梁及管道工程的災(zāi)害特征，提出地裂縫災(zāi)害綜合防治對(duì)策[3-4]；Peng等通過(guò)大型物理模型試驗(yàn)，研究地鐵隧道穿越地裂縫帶的物理變形及破壞機(jī)制，并給出相關(guān)工程應(yīng)對(duì)措施[5-14]；袁立群等通過(guò)模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究了點(diǎn)荷載和移動(dòng)荷載作用下地鐵隧道、地裂縫、地層間的相互作用規(guī)律[15]；黃強(qiáng)兵等對(duì)跨地裂縫帶路基動(dòng)力響應(yīng)展開(kāi)研究[16-17]；石玉玲通過(guò)物理模型試驗(yàn)分析認(rèn)為，采用靜定結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支梁橋跨越地裂縫較為合理[18-19]；張茵濤等通過(guò)物理模型試驗(yàn)揭示了不同斜交角度跨越活動(dòng)地裂縫帶高鐵橋梁結(jié)構(gòu)的變形破壞模式[20-21]；楊濤通過(guò)有限元數(shù)值模擬，分析了高鐵簡(jiǎn)支梁橋不同跨長(zhǎng)跨地裂縫帶的受力變形特征，提出了跨長(zhǎng)優(yōu)化方案[22]。上述有關(guān)橋梁跨地裂縫帶的研究主要針對(duì)高鐵簡(jiǎn)支梁橋，而關(guān)于云軌簡(jiǎn)支梁橋跨地裂縫帶的研究鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。云軌橋梁屬于跨座式單軌結(jié)構(gòu)，云軌列車易受橋梁基礎(chǔ)差異沉降和軌道變形的影響無(wú)法行車，甚至?xí)?dǎo)致翻車事故?；诖?，本文以西安市高新區(qū)云軌示范線工程為研究對(duì)象，結(jié)合有限元數(shù)值模擬，重點(diǎn)分析云軌橋梁正交跨越地裂縫帶軌道梁、橋墩和樁基礎(chǔ)等下部結(jié)構(gòu)變形與受力特征，以期為西安市云軌橋梁設(shè)計(jì)提供科學(xué)指導(dǎo)，也為地裂縫發(fā)育的城市地面軌道交通跨地裂縫帶工程建設(shè)提供參考與借鑒。

1 工程背景

圖2 西安市高新區(qū)云軌擬建線路與地裂縫平面交匯示意圖Fig.2 Schematic Map of Plane Intersection Between Proposed Skyrail Line and Ground Fissure in Xi’an High-tech Zone

擬建云軌全線均為高架線，高架區(qū)間擬采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，承臺(tái)埋深約為3.0 m，樁徑為1.2 m，一般區(qū)段采用長(zhǎng)度為24 m(直線)的標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支軌道梁、圓形混凝土橋墩、鉆孔樁基礎(chǔ)，地裂縫兩側(cè)軌道梁采用連續(xù)鋼梁，跨長(zhǎng)(L)有30、35、40、45 m等4種方案，連續(xù)鋼梁中單樁荷載為4 200 kN。

本次研究選取跨f5地裂縫云軌天谷四路站—省圖書館站區(qū)間進(jìn)行分析。f5地裂縫平面上與云軌線路基本正交，西段西起丈八北路，向東經(jīng)新紀(jì)元公園、科技路、高新路、西安電子科技大學(xué)、南二環(huán)路西段至黃雁東村，總體走向呈NE—SW向展布，傾向SE，傾角約為80°，總長(zhǎng)度約為17.5 km。區(qū)間范圍內(nèi)地層結(jié)構(gòu)自上至下分別為雜填土、黃土狀土、中砂、粉質(zhì)黏土、中砂、粉質(zhì)黏土、中砂、粉質(zhì)黏土，模擬計(jì)算將每層土簡(jiǎn)化為均質(zhì)體。

f5地裂縫在與云軌線路的交匯附近呈隱伏狀態(tài)，活動(dòng)性微弱或穩(wěn)定，活動(dòng)速率小于每年5 mm[23]。根據(jù)云軌設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)年限為100年，并且考慮最大可能危害程度及影響，本次模擬計(jì)算中地裂縫未來(lái)100年最大位錯(cuò)量按500 mm取值。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 有限元模型建立

采用有限元軟件MIDAS GTS建模(圖3)，模型尺寸為160 m(長(zhǎng))×60 m(寬)×80 m(高)，地裂縫傾角為80°，樁位布置如圖4所示。模型設(shè)置三跨四橋墩(1#～4#)，每個(gè)承臺(tái)下有4根樁，編號(hào)分別為1#-1、1#-2、1#-3、1#-4(對(duì)應(yīng)1#橋墩)，2#-1、2#-2、2#-3、2#-4(對(duì)應(yīng)2#橋墩)，3#-1、3#-2、3#-3、3#-4(對(duì)應(yīng)3#橋墩)，4#-1、4#-2、4#-3、4#-4(對(duì)應(yīng)4#橋墩)。整個(gè)模型共80 832個(gè)節(jié)點(diǎn)、71 277個(gè)單元。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite Element Model

2.2 材料本構(gòu)模型與計(jì)算參數(shù)

在模擬計(jì)算中，模型地層土體采用理想彈塑性模型，服從莫爾-庫(kù)倫(M-C)準(zhǔn)則，鋼軌道梁選用彈性模型，服從胡克定律。樁基礎(chǔ)采用梁?jiǎn)卧M，并加樁接觸以模擬樁土作用，樁單元z方向不能轉(zhuǎn)動(dòng)。土體材料計(jì)算參數(shù)根據(jù)《西安高新區(qū)云軌示范線項(xiàng)目(魚化寨站—緯二十八路站)地裂縫專項(xiàng)勘察報(bào)告》[23]取值(表1)，云軌橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)方案取值(表2)，地裂縫采用Interface接觸單元模擬(圖5)[24]。地裂縫未活動(dòng)時(shí)，采用剛性連接；地裂縫活動(dòng)時(shí)，解除剛性連接。地層可沿地裂縫產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)。

2.3 邊界條件與加載工況

地裂縫活動(dòng)類似正斷層的錯(cuò)動(dòng)，即下盤基本穩(wěn)定，上盤發(fā)生沉降變形。因此，有限元模型計(jì)算的邊界條件設(shè)為：x方向和y方向施加水平約束，底部施加z方向垂直約束，頂部設(shè)置為自由面。通過(guò)在上盤底部施加強(qiáng)制位移來(lái)模擬地裂縫的錯(cuò)動(dòng)情況[25]。云軌的設(shè)計(jì)年限為100年，地裂縫在100年內(nèi)的最大垂直位錯(cuò)量建議值為500 mm，本次計(jì)算考慮地裂縫位錯(cuò)量(S)分別為10、20、30、40、50 cm等5種不同加載工況下云軌橋梁結(jié)構(gòu)變形及受力特征。

圖4 橋梁結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic Diagrams of Bridge Structure

表1 有限元模型計(jì)算參數(shù)

注：地裂縫法向接觸剛度為8×103kPa；切向接觸剛度為8×102kPa；內(nèi)聚力為10 kPa；內(nèi)摩擦角為12°。

表2 云軌橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

注：樁接觸單元極限摩擦阻力為50 kN·m-2；法向接觸剛度為8×104kPa；切向接觸剛度為8×103kPa。

圖5 接觸面建立示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Contact Surface

3 結(jié)果分析

3.1 地層及地表變形特征

圖6為地裂縫位錯(cuò)量為50 cm時(shí)模型豎向及水平位移云圖。由圖6可知，地裂縫錯(cuò)動(dòng)作用下其附近地層及地表豎向位移等值線比較密集，遠(yuǎn)離地裂縫較稀疏，且上盤較下盤密集。這表明：地裂縫附近豎向位移增加明顯，易產(chǎn)生差異沉降，導(dǎo)致地表破裂，對(duì)地表建(構(gòu))筑物影響大；而遠(yuǎn)離地裂縫的下盤是穩(wěn)定盤，略微沉降，對(duì)地表建(構(gòu))筑物影響小。水平位移以“倒三角”方式向地裂縫兩側(cè)及地層深處衰減，變形區(qū)主要集中在地裂縫附近上盤區(qū)域，說(shuō)明該區(qū)土體極易產(chǎn)生拉破壞。

圖7為模型縱向地表位移隨地裂縫位錯(cuò)量變化曲線。由圖7可知：地表水平位移在地裂縫兩側(cè)呈現(xiàn)倒“V”字形分布，且隨地裂縫位錯(cuò)量增加而增大；而地表豎向位移從下盤到上盤呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，在靠近地裂縫附近具有明顯的變形帶，并且橋墩附近豎向位移發(fā)生突變，形成錯(cuò)臺(tái)。下盤2#橋墩豎向位移滯后于地表土層，因?yàn)闃秾?duì)地層起一定加固效果，而遠(yuǎn)離樁的邊界沒(méi)有此作用；上盤橋墩附近沉降明顯增大，這是由于上盤整體下沉，樁基礎(chǔ)與地層摩擦接觸作用強(qiáng)，地層沉降要略大于地表，在差異沉降區(qū)易產(chǎn)生地表破裂，后期應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)。

3.2 軌道梁變形特征

圖6 模型位移云圖(S=50 cm)Fig.6 Displacement Nephograms of Model (S=50 cm)

圖7 模型縱向地表位移隨地裂縫位錯(cuò)量變化曲線Fig.7 Variation Curves of Displacement of Model Longitudinal Ground Surface with Ground Fissure Dislocation

圖8 軌道梁位移隨地裂縫位錯(cuò)量變化曲線Fig.8 Variation Curves of Displacement of Track Beam with Ground Fissure Dislocation

圖8為軌道梁位移隨地裂縫位錯(cuò)量變化曲線。由圖8可知，當(dāng)軌道梁與地裂縫正交時(shí)，軌道梁產(chǎn)生豎向和水平兩個(gè)方向的位移，軌道梁位移變化趨勢(shì)與地表相似。其中，跨地裂縫帶軌道梁段兩側(cè)豎向位移差異最大。當(dāng)?shù)亓芽p位錯(cuò)量為50 cm時(shí)，軌道梁1、2和3段差異沉降分別為0.084 0、0.268 0、0.059 5 m[圖8(a)]，而中間段(2段)的水平位移最大，為0.133 m，約為地裂縫位錯(cuò)量的1/4，1段和3段的水平位移相差不大。整體來(lái)看，地裂縫錯(cuò)動(dòng)作用下，軌道梁的豎向位移差異最大，水平位移差異較小。因此，跨地裂縫帶云軌工程要特別注意軌道梁豎向位移帶來(lái)的傾斜影響，采取可調(diào)措施來(lái)保證軌道梁的平順度和安全性。

3.3 橋墩變形特征

當(dāng)?shù)亓芽p錯(cuò)動(dòng)時(shí)，位于地裂縫上盤場(chǎng)地的橋墩會(huì)隨著上盤沉降而整體下沉，而位于下盤場(chǎng)地的橋墩受上盤錯(cuò)動(dòng)拖拽力的作用，也會(huì)發(fā)生一定程度傾斜。為了分析上、下盤橋墩墩頂順橋向水平位移變形差異情況，從地裂縫兩側(cè)2#和3#橋墩墩頂中心節(jié)點(diǎn)分別提取水平位移進(jìn)行對(duì)比，圖9給出了地裂縫錯(cuò)動(dòng)作用下2#和3#橋墩水平位移變化曲線。由圖9可知，兩個(gè)橋墩基本呈現(xiàn)“對(duì)稱”傾斜，傾斜度最大為1.7‰，位于上盤的3#橋墩水平位移略大于下盤的2#橋墩。由于力作用的相互性，上盤整體沉降的同時(shí)，地裂縫附近上、下盤相互接觸摩擦最強(qiáng)烈，地裂縫附近地層有向下運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，而樁基礎(chǔ)阻礙或減弱這種作用，表現(xiàn)為地層裹挾結(jié)構(gòu)物向下位錯(cuò)，進(jìn)而導(dǎo)致地表橋墩傾斜。

圖10 不同位置樁身位移變化曲線(S=50 cm)Fig.10 Variation Curves of Displacement of Piles in Different Positions (S=50 cm)

3.4 樁受力變形特征

圖9 地裂縫錯(cuò)動(dòng)作用下橋墩水平位移變化曲線Fig.9 Variation Curves of Horizontal Displacement of Bridge Pier Under the Action of Ground Fissure Dislocation

地裂縫活動(dòng)引起上、下盤地層產(chǎn)生變形，導(dǎo)致樁基礎(chǔ)和承臺(tái)產(chǎn)生變形，進(jìn)而引起橋墩受力產(chǎn)生變形，最后導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)軌道梁變形，影響云軌安全使用。樁基礎(chǔ)埋于地層，被周圍地層所包圍，地層錯(cuò)動(dòng)后，樁受力變形也最為顯著。樁位布置如圖4(c)所示，依次提取云軌一側(cè)線路樁1#-1、1#-2、2#-1、2#-2、3#-1、3#-2、4#-1和4#-2的數(shù)據(jù)，重點(diǎn)分析地裂縫兩側(cè)樁受力變形特征。

3.4.1 樁身變形

圖10為地裂縫位錯(cuò)量為50 cm作用下不同位置樁身位移變化曲線。由圖10可知，同一承臺(tái)下的樁基礎(chǔ)位移相差不大，而等間距布置的不同位置樁基礎(chǔ)差異明顯，說(shuō)明樁的完整性比較好，沒(méi)有發(fā)生斷樁現(xiàn)象。地裂縫兩側(cè)，樁身水平和豎向位移急劇增大。其中，樁2#-1的豎向位移比樁1#-1大0.094 m，樁3#-1的豎向位移比樁2#-1大0.309 m，樁4#-1的豎向位移比樁3#-1大0.106 m，可見(jiàn)地裂縫附近是差異沉降主要影響區(qū)，地裂縫附近樁豎向位移差是遠(yuǎn)離地裂縫樁的3倍。差異沉降過(guò)大會(huì)影響云軌橋梁上部結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)運(yùn)行，設(shè)計(jì)中可調(diào)支座應(yīng)考慮調(diào)控量范圍，及時(shí)消除差異沉降對(duì)云軌橋梁的影響。

圖11 地裂縫錯(cuò)動(dòng)作用下樁身位移變化曲線Fig.11 Variation Curves of Displacement of Piles Under the Action of Ground Fissure Dislocation

圖11為地裂縫錯(cuò)動(dòng)作用下上、下盤樁身位移變化曲線。隨著位錯(cuò)量的增加，樁身水平位移逐漸累積，在隱伏地裂縫位置處(埋深28.7 m)，下盤樁身發(fā)生水平位移突變，上盤樁身水平位移變化近似線性變化。樁頂、底水平運(yùn)動(dòng)不一致，樁身發(fā)生傾斜，上盤樁傾斜度最大為3.0‰(S=50 cm)，下盤樁傾斜度最大為3.3‰(S=50 cm)。

3.4.2 樁身內(nèi)力

一般情況下，樁頂受荷載作用，會(huì)相對(duì)樁周土向下運(yùn)動(dòng)，土體會(huì)對(duì)樁產(chǎn)生向上的摩擦力，稱為正摩擦力。地裂縫場(chǎng)地上盤下沉?xí)r，位于上盤的樁下沉位移小于樁周土豎向位移量，導(dǎo)致樁所受摩擦力向下，類似一種下拉荷載，稱為負(fù)摩擦力。因此，地裂縫錯(cuò)動(dòng)作用下樁基礎(chǔ)存在一個(gè)正、負(fù)摩擦力轉(zhuǎn)變的過(guò)程。

圖12為地裂縫錯(cuò)動(dòng)作用下上、下盤不同部位樁在地裂縫錯(cuò)動(dòng)前后樁身軸力變化曲線(圖中負(fù)值表示受壓，正值表示受拉)。由圖12可知，地裂縫未錯(cuò)動(dòng)時(shí)(建橋后)，樁身軸力為負(fù)值，表示受壓，樁身承受最大軸力為458 kN。隨著位錯(cuò)量的增加，上、下盤樁所受軸力均增大，但兩者差異明顯，下盤樁以受壓為主[圖12(a)、(b)]，上盤樁以受拉為主[圖12(c)、(d)]。這是因?yàn)椋合卤P樁受上盤錯(cuò)動(dòng)的拖拽作用后，樁身豎向位移大于樁周土豎向位移，土體對(duì)樁產(chǎn)生向上的側(cè)摩擦阻力，表現(xiàn)為下盤樁受壓；而上盤整體下沉，上盤樁樁身沉降滯后于樁周土沉降，土體對(duì)樁產(chǎn)生向下的側(cè)摩擦阻力，表現(xiàn)為上盤樁受拉。其中，下盤樁2#-1與2#-2變化規(guī)律基本一致，樁身中上部受壓最強(qiáng)烈；而上盤樁3#-1在中下部受拉最強(qiáng)烈，樁3#-2在頂部受拉最強(qiáng)烈。綜合來(lái)看，樁所受軸力最大為2 250 kN，未超過(guò)單樁承載力4 200 kN，樁基礎(chǔ)安全。

圖13為地裂縫錯(cuò)動(dòng)作用下上、下盤樁不同位置和埋深樁身彎矩變化曲線。由圖13可知，隨著位錯(cuò)量的增加，樁身彎矩逐漸加大，下盤樁所受彎矩整體大于上盤樁，地裂縫附近(樁2#-2、3#-1)樁身彎矩大于遠(yuǎn)側(cè)(樁2#-1、3#-2)，且下盤樁最大彎矩出現(xiàn)在距樁頂1/2L處，下盤樁最大彎矩出現(xiàn)在距樁頂1/3L處。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1) 地裂縫錯(cuò)動(dòng)作用下，地裂縫附近地層水平位移呈現(xiàn)“倒三角”形狀，豎向位移呈現(xiàn)“牽引撓曲”變形，在靠近地裂縫附近具有明顯的變形帶，且橋墩附近豎向位移發(fā)生突變，具有明顯錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象。

(2)地裂縫錯(cuò)動(dòng)作用下，跨地裂縫帶云軌軌道梁段兩側(cè)豎向位移差異和水平位移最大，水平位移最大約為地裂縫位錯(cuò)量的1/4。上、下盤橋墩均會(huì)發(fā)生指向地裂縫的傾斜，傾斜度最大為1.7‰，上盤橋墩墩頂順橋向水平位移略大于下盤，其水平位移最大約為地裂縫位錯(cuò)量的1/3。

(3)地裂縫錯(cuò)動(dòng)作用下，樁身變形主要以水平位移為主，樁身最大傾斜度為3.3‰；豎向位移隨埋深無(wú)明顯變化，地裂縫附近是樁基豎向差異沉降主要影響區(qū)，而遠(yuǎn)離地裂縫的上、下盤樁未產(chǎn)生顯著變形。設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮地裂縫地段橋梁可調(diào)支座調(diào)控量，防止出現(xiàn)橋梁錯(cuò)位現(xiàn)象。

(4)地裂縫錯(cuò)動(dòng)作用下，樁身內(nèi)力發(fā)生顯著變化，下盤樁受壓，上盤樁主要受拉，上盤樁所承受拉力整體大于下盤樁所承受壓力，而下盤樁所受彎矩整體大于上盤樁。

圖12 地裂縫錯(cuò)動(dòng)作用下樁身軸力變化曲線Fig.12 Variation Curves of Axial Force of Piles Under the Action of Ground Fissure Dislocation

圖13 地裂縫錯(cuò)動(dòng)作用下樁身彎矩變化曲線Fig.13 Variation Curves of Bending Moment of Piles Under the Action of Ground Fissure Dislocation

(5)本文僅考慮云軌正交跨越地裂縫的工況，有關(guān)不同斜交角度跨地裂縫帶云軌簡(jiǎn)支梁橋-樁基礎(chǔ)-地層受力變形特征有待進(jìn)一步討論研究。