交通荷载作用下缓倾顺层边坡动力响应分析

以西南地区广泛分布的缓倾顺层边坡为研究对象，采用理论分析、现场数据采集和数值模拟相结合的方法，统计分析典型缓倾顺层边坡的地质特征，建立缓倾顺层边坡概念模型；现场采集交通振动数据，分析振动视频规律及衰减规律；建立动力有限元数值模型，计算交通荷载作用下不同模型和影响因素下边坡的动力响应。在此基础上，分析交通荷载作用下缓倾顺层边坡的动力响应规律
第 1 章 绪论

1.1 选题依据与研究意义

自然界中层状结构的沉积岩面积约占陆地面积的 60%，我国的沉积岩占陆地面积的 77.3%，并且诸多变质岩也备层状构造，所以层状岩体失稳是人类工程活动中常见的地质问题（李安洪，2011），以顺层滑坡为主。顺层滑坡的走向与其岩层走向小于 20°，属于特殊的滑坡类型，在西南区域发生频繁、灾害性强被广大学者重视并研究。其中岩层倾角介于 15～30°之间为缓倾顺层边坡。这类边坡主要分布于西南地区，包括三峡库区、四川红层地区和贵州部分区域，分布广泛，数量庞大，具有识别难，工程影响大的特点。并且其形成机理复杂、控制因素多，如大气降雨、工程开挖、静荷载和动荷载等（吉世祖，2015）。该类边坡一旦失稳破坏力巨大，如 2003 年三峡库区千将坪滑坡由于蓄水导致发生缓倾角顺层失稳破坏，直接造成 14 人死亡及上千万元的经济损失（颜井方，2011）；2004 年 9 月重庆万州吉安缓倾顺层边坡失稳破坏，摧毁了开县至云阳公路造成了不可估量的财产损失（李守定，2005）。我国十三五交通规划中公路运营里程达 500 万公里，如此庞大的工程和广泛分布的缓倾顺层边坡，导致大量缓倾顺层边坡会受到交通荷载作用。如今交通运输业高速发展，车辆载重和行驶速度越来越大，运输卡车的静载达 50 吨，交通荷载引起的振动强度越来越大，成为缓倾顺层边坡重要的影响因素。交通荷载引起岩土体振动加速度峰值较大，李鹏（2017）实测 12 轮卡车引起的路面振动达3.8m/s2，三峡库区最常见的库水诱发的地震加速度峰值为 0.22m/s2（刘永权，2017），交通荷载振动强度比水库诱发地震的振动强度还要大。常见车辆引起的振动也有 0.1～0.2m/s2，为水库地震振动强度的 60～70%，为爆破振动强度的 3～4%。交通荷载长期作用于周围地质体，大桥运营期间将受到不同振动强度的交通荷载近 4×108 次。振动波传播较远，车辆荷载可使边坡深部的岩土体发生振动并产生影响。如 2010 年，台湾国道 3 号七堵路段缓倾顺层边坡在没有前期降雨的情况下发生失稳破坏（陈勉铭，2010），直接导致桥梁破坏，道路中断，并且掩埋４人。所以就交通荷载引起的边坡振动问题值得被分析研究，部分工程在一定工况下应该考虑交通荷载。

1.2 国内外研究现状

本文研究交通荷载作用下缓倾顺层边坡动力响应规律研究的主要难点为交通荷载的动力响应、交通荷载模型、软弱夹层动力响应和缓倾顺层边坡影响因素分析，所以针对这四方面进行相关文献阅读及研究现状整理。

1.2.1 交通荷载动力响应研究现状

车辆运输产生的交通荷载势必引起公路下方或者两侧地质体出现振动，岩土体的强度在反复振动作用下易出现弱化甚至疲劳损伤（M Popeseul，2001）。振动频率低（一般在 60Hz 以下），振动波传播距离远，且循环重复的加载和卸载会对边坡产生不同程度的影响（徐光兴，2008）。交通荷载引起的动力响应被广大学者所重视，1956 年 Eason（1956）等人首次考虑交通荷载问题，将交通引起的振动看作在无边界体上稳态移动的线性荷载。以傅立叶变换的方法研究二维动力响应规律，发现移动荷载引起的表面位移大于静力位移。Jones DV（1998）and G.Lefeuve-Mesgouez（2002）将移动荷载对地面产生振动概化为简谐波，并采用傅立叶变换方法分析了荷载产生的动力响应特性。G.Lombaert（2000）等用数值模拟方法计算分析了车辆在不平整路面上行驶引起的动力响应，发现车-路面作用会引起竖直方向的振动，振动强度受车速影响。HH.Hung（2001）等计算了静态和动态共同作用引起岩土结构的动力响应，发现动态荷载是影响动力响应的主要部分，其振动频率与振动速度和加速度的幅值呈正相关。梁铁成（2003）现场采集交通荷载引起的公路振动数据，并拟合分析了振动能量的衰减规律。高建红（2006）研究动力响应发现振动的初速度和加速度对响应结果影响很大，并探讨了振动作用下土体动应力响应特点。叶四桥（2006）将交通荷载概化为移动恒载和动载，计算表明交通振动会导致边坡稳定系数降低。

第 2 章 交通荷载作用下的缓倾顺层边坡地质概念模型建立

缓倾顺层边坡从具体工程分析时，因坡体结构和地质环境等工程地质条件差异，分析结果并不能代表该类边坡总体特征。采用地质概念模型作为研究对象，可充分考虑该类边坡共同特征，从而在进行交通动力分析时，其结果更具代表性，为缓倾顺层边坡的动力响应分析提供可靠的研究成果。鉴于此，收集缓倾顺层边坡典型案例，分析边坡几何特征、地层岩性、地质构造和水文地质条件共性；定性分析这些因素与边坡动力响应的相互影响关系。以主要研究对象为中心，在地质模型构建过程中可有效减小次要因素对动力分析的影响，对地质模型构建中要素的确定有一定指导意义。结合案例研究和影响关系分析确定地质要素构建交通荷载作用下的缓倾顺层边坡地质概念模型。

2.1 典型缓倾顺层边坡概述

交通荷载作用下缓倾顺层边坡动力响应分析的核心思想是指导车辆交通工程安全运营，所以在案例的选取上是以变形或者破坏的边坡为主。如表 2-1 所示典型缓倾顺层边坡。

2.2 缓倾顺层边坡地质特征统计分析

（1）几何特征分析

几何特征主要包括坡形、坡高和坡度，所以在查阅文献整理边坡几何特征时，重点考虑这三个因素。缓倾顺层边坡自然条件下，不受人为改造或者人类工程活动影响时，一般均为线型坡，坡表整体较平整，除坡顶外，边坡地形没有明显变化。部分边坡被削坡、开挖等人类工程活动改变了原有地形。通过对缓倾顺层边坡案例整理发现，坡高从 5m～350m 均有分布，但是以 100m 左右的坡高为主。坡脚从 20°～70°均有分布，但是以 40°～50°为主（如图 2-1）。

第 3 章 交通荷载引起的岩体振动及传播特性分析 .............................................. 19

3.1 交通荷载基本性质 ........................................................................................... 20

3.2 交通荷载引起岩土体振动信号采集 ............................................................... 20

3.3 振动数据预处理及特性验证 ........................................................................... 23

3.4 交通荷载引起岩体振动波时域分析 ............................................................... 29

第 4 章 交通荷载作用下缓倾顺层边坡动力响应分析 .......................................... 43

4.1 基于动力有限元的边坡计算模型构建 ........................................................... 43

4.2 交通振动模拟等效荷载模型确定 ................................................................... 49

4.3 缓倾顺层边坡动力响应分析 ........................................................................... 52

4.4 小结 ................................................................................................................... 70

第 5 章 交通荷载作用下缓倾顺层边坡动力响应机制分析 .................................. 71

5.1 桥基对动力响应的影响 ................................................................................... 71

5.2 夹层对动力响应的影响 ................................................................................... 75

5.3 夹层桥基相对位置影响分析 ........................................................................... 81

5.4 小结 ................................................................................................................... 83

第 5 章 交通荷载作用下缓倾顺层边坡动力响应机制分析
上文分析了交通荷载作用下均质边坡、桥基均质边坡和含软弱夹层桥基边坡，发现交通荷载边坡有不同程度的影响。均质边坡的动力响应规律符合理论分析，影响范围比较小，主要作用在振源 5m 以内。桥基边坡的动力响应影响范围沿桥基方向往边坡深部扩展。含软弱夹层桥基边坡的动力响应范围扩大到桥基和夹层之间。可见桥基和软弱夹层对边坡动力响应影响较大。为更深入研究交通荷载作用下边的坡动力响应规律，在前文数值计算的基础上，从桥基、软弱夹层及其二者相对位置三方面上分析边坡交通荷载下边坡动力响应机制。具体包括：对比有无桥基边坡的动力计算结果，分析桥基对动力响应的影响机制，并探讨桥基参数的动力响应规律。对比有无夹层边坡的动力计算结果，分析夹层对边坡动力响应的影响机制，并探讨夹层参数的动力响应规律。探讨桥基夹层相对位置关系边坡动力响应的影响。

5.1 桥基对动力响应的影响

通过以上分析可知，模型一与模型二的模型差别在模型二考虑了桥基影响，对比分析模型一和模型二的计算结果，分析有无桥基对边坡动力影响，并且考虑桥基结构参数差异对边坡动力的影响，从而确定桥基对边坡动力响应的机制。

5.1.1 桥基影响分析

（1）加速度影响

桥基的存在有利于振动波的传播，无桥基模型下振动波以振源为中心近圆形向周围扩散。有桥基模型下，桥基的存在增大了振动波竖直方向的传播能力和影响范围，振动波以桥基顶端为中心呈椭圆向周围扩散，云图的横纵差增大，并且在桩底端比周围岩土体内的振动波能量大，振动波云图存在差异传播现象（图 5-1）。

结 论

以西南地区广泛分布的缓倾顺层边坡为研究对象，采用理论分析、现场数据采集和数值模拟相结合的方法，统计分析典型缓倾顺层边坡的地质特征，建立缓倾顺层边坡概念模型；现场采集交通振动数据，分析振动视频规律及衰减规律；建立动力有限元数值模型，计算交通荷载作用下不同模型和影响因素下边坡的动力响应。在此基础上，分析交通荷载作用下缓倾顺层边坡的动力响应规律。得到以下结论：

（1）通过整理历史案例分析发现缓倾顺层边坡有以下共有地质特征：边坡几何特征方面，以线型边坡居多，坡高 100m 左右、坡角 45°左右；地层岩性特征方面，以砂岩泥岩为主，岩层组合以厚层硬岩夹薄层软岩为主；地质构造方面，边坡节理发育，以陡倾后缘裂缝和薄层软弱夹层为主；水文地质条件，地下水以孔隙水裂隙水为主，主要补给来源为降雨，水循环迅速对缓倾顺层边坡稳定显著。定性分析不同地质环境因素对边坡动力响应效果的影响。结合案例分析、影响因素分析和模型尺寸效应建立缓倾顺层边坡地质概念模型。

（2）现场勘察选取合适的数据采集点位，用 G01NET-3 结构与斜坡地震动响应监测与速报系统按计划采集振动数据；以完备总体经验模态分解法实现数据的预处理，发现交通荷载引起的平稳随机振动；以概率与数理统计理论分析得到垂向桥基有效加速度幅值为 0.13842m/s2，边坡有效振动在 0.02～0.138m/s2 之间，坡向桥基有效加速度幅值为 0.13876m/s2，边坡有效振动在 0.028～0.138m/s2 之间，振动在传播过程能量衰减符合指数函数；以快速傅里叶变换方法分析得到，两个方向的振动频率都在在 5～60Hz 之间，优势频率为 18Hz 左右，以 1/3 倍频程计算交通荷载引起振动强度低于规范要求。