黄土斜坡场地动力特性的现场测试和数值模拟_张荣.pdf

Industrial Construction Vol.53，No.2，2023工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期169黄土斜坡场地动力特性的现场测试和数值模拟*张荣1王彬2(1武汉铁路职业技术学院，武汉430205;2中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉430063)摘要:为研究黄土斜坡场地的动力特性，对宝兰高铁秦安天水南段某路基段斜坡场地进行现场振动测试，并利用有限元软件分别建立了在地震激励、列车激励以及地震、列车耦合激励作用下黄土斜坡场地模型。运用二维等价线性时程响应动力分析法对不同振源下黄土斜坡场地的动力响应进行计算，分析不同激励作用下黄土斜坡的场地效应以及土体参数对振动传播的影响。研究发现:列车激振波主要集中在 1080 Hz频段，坡面和坡顶对振动有明显的放大作用。另外，地震波与列车运行激振波在时域和频域均存在很明显的差异，列车激励引起的黄土斜坡场地的振动振波分布比较集中，单峰值有规律的出现，而地震波波形分布离散，地震波主要集中在 0.125 Hz 频段。同时黄土斜坡场地出现振动放大的位置不仅受到振动激励的影响，还与土体弹性模量密切相关。关键词:现场测试;振动激励;黄土斜坡;场地效应;动力响应DOI:10.13204/jgyjzG21122715Field Tests and Numerical Simulations on Dynamic Characteristics of Loess SlopesZHANG ong1WANG Bin2(1Wuhan ailway Vocational College of Technology，Wuhan 430205，China;2China ailway Siyuan Survey and Design Group Co，Ltd，Wuhan 430063，China)Abstract:In order to study-dynamic characteristics of loess slopes，field vibration tests on a subgrade slope in theQin anTianshui south section of BaojiLanzhou High-Speed ailway were conducted，and a model of loess slopesexcited by seismic waves，vibration waves produced by train operation and the wave coupled with the both waves wereconstructed by the finite element software The dynamic responses of loess slopes by different vibration excitation ofthe above were calculated by the dynamic analysis method of two-dimensional equivalent linear time-historyresponses，and the influence of soil parameters on the vibration propagation was analyzed It was found that thevibration frequencies of waves produced by train operation were mainly in the range of 10 to 80 Hz，and the slopesurface and slope crest had an obvious amplification effect on vibration In addition，there were great differencesbetween seismic waves and operation vibration waves of trains in time and frequency domains The vibrationamplitudes of waves excited by trains were more concentrated，the single peak appeared regularly，however that ofseismic wave was discrete，the seismic waves were mainly in the vibration frequencies of 0.1 to 25 HzSimultaneously，the location of vibration amplification in loess slopes was not only impacted by vibration excitation，but also was closely related to the elastic modulus of soilKeywords:field test;vibration excitation;loess slope;site effect;dynamic response*湖北省教育厅科学技术研究计划指导性项目(B2020390)。第一作者:张荣，女，1989 年出生，硕士，讲师。电子信箱:15827397014 163com收稿日期:20211227我国是世界上黄土分布面积最广、厚度最大、成因类型最多的国家，特别是黄土高原地区地形地貌复杂多样，有塬、梁、峁、斜坡等诸多特殊的形态。黄土作为一种特殊的土体，具有强烈的动力易损性、强湿陷性和高致灾性。黄土高原地区地质构造复杂多样、新构造运动频繁强烈、断裂发育，1 与黄土有关的地质灾害也十分发育。同时，黄土高原地区地震频发，截至 2018 年，该地区历史记录到 6 级以上的地震有 118 次。2 黄土斜坡场地作为黄土高原地区典型的场地，在动力荷载作用下经常发生滑坡、崩塌等地质灾害，造成严重的经济损失。2008 年汶川 Ms 8.0 级大地震，除了对震源附近造成严重的损失外，对远离震源170工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期的黄土高原地区也造成了较严重的损失。3 2013 年甘肃漳县和岷县交界处发生 Ms 6.6 级地震，由于该地区也处于黄土高原地区，地质条件较复杂、河流纵横交错、山岭起伏多变，黄土覆盖层厚度大、土质疏松多孔，所以发生了严重的黄土滑坡、震陷和崩塌等地质灾害，受灾区域成片，密集分布，造成了严重的人员伤亡和经济损失。近年来，许多学者对动力作用下斜坡的稳定性及其场地效应进行了研究。文献 45根据 2008年汶川 Ms 8.0 级地震所造成的黄土地区地质灾害的调查结果，利用台站记录的资料、大型振动台和有限元数值模拟分析了黄土斜坡和黄土塬的动力响应，发现在坡顶位置对低频加速度峰值会有明显的放大现象。吴志坚等在现场考察的基础上，根据钻孔资料，利用有限元软件建立了典型的黄土场地模型，研究了在地震作用下黄土场地振动放大机制，发现随着黄土层厚度的增加其加速度、速度和位移都出现了放大现象，且地震波在黄土层中传播，高频成分被吸收，卓越频率向低频移动。6 石玉成等利用爆破振动作为振动激励研究了黄土斜坡的动力响应特征，研究表明斜坡体上的振动烈度主要受到地形条件的控制，且斜坡底部和斜坡上的地震动频谱特性存在着很大的差异。7 夏峰等对不同相位地震波输入下场地的振动响应特征进行了分析。8 另外，闫静茹等对不同场地对地面峰值加速度的放大特性进行了研究。9 随着国家“一带一路”战略的实施和“八横八纵”高速铁路网的基本建成，在黄土高原地区出现了一种新型的致振诱因 高速列车运行引起的振动。由于在黄土高原地区高速铁路沿线地形地貌复杂且黄土层厚度大，铁路沿线黄土斜坡场地的稳定性受到了强烈的影响。有关列车运行引起场地的振动，已有相关学者进行了研究:孟祥连等对在黄土地区的高铁沿线路基段平坦场地的振动进行了测试，发现场地振动的强度与列车运行速度和列车轴重有密切关系，且振动会在某个位置出现放大现象。10 陈建国等选择京广铁路沿线某段场地的振动进行了现场振动测试，研究列车运行引起振动的传播规律。1112 张光明分别选择高速铁路沿线路堤段和路堑段进行了现场振动测试，并根据现场测试概况建立了数值计算模型，分析了土体参数等变化对振动传播的影响。13 目前大多数对列车运行引起振动的研究主要集中在平坦场地，基本未考虑复杂地形地貌的影响，且有关地震和列车运行引起场地效应的对比研究较少。另外，由于高速铁路的快速发展，铁路沿线分布着特殊的地形地貌，但主要以斜坡场地居多，另外由于列车运行的激励，使得沿线的斜坡场地产生振动，甚至造成斜坡场地的滑动，影响列车的安全运行。由于黄土高原地区地震频发，在地震与列车运行耦合激励下黄土斜坡场地的动力特性更应引起关注。宝兰高速铁路位于陕西省西部和甘肃省东部地区，而甘肃省东部地区是我国黄土厚度大的主要区域之一，该地区内与黄土有关的地质灾害频发，灾害类型多、分布范围广、危害严重。滑坡是该区域最为严重和发育最密集的地质灾害，具有明显继承性和多期性，尤其长期动力作用会对该地区黄土斜坡的稳定性产生显著的影响。针对上述问题，选取宝兰高铁秦安天水南段某路基段斜坡场地进行现场振动测试，对测试振动信号进行时域和频域分析，并建立黄土斜坡场地数值计算模型，分别计算在列车运行激励、地震激励及其耦合作用下黄土斜坡的动力响应以及土体参数变化对振动传播的影响。1现场振动测试1.1现场测试概况测试点为宝兰高铁秦安天水南某路基段斜坡场地。该地区黄土的弹性模量为 74 MPa，泊松比为0.31，密度为 1.5 t/m3，摩擦角为 14，黏聚力为 54MPa。1 现场分别在坡底、坡面和坡顶布置四个测点，如图 1 所示。测试仪器使用东华测振仪测试地面竖向加速度。图 1现场测点布置mFig1Arrangements of measurement points1.2振动测试结果分析现场共记录到 10 辆列车通过该测试断面时的振动信号，以其中列车型号为 CH380B，车厢编组为 8 节通过时为例进行各测点振动信号分析，其振动加速度时程曲线如图 2 所示。从中可以看出:各测点的振动持时基本相同，大约为 6.5 s，各测点的时程曲线形态有明显不同，四个测点的加速度峰值分别为 2.89，3.97，4.30，2.88 cm/s2，显然坡面测点2 和坡顶测点 3 的振动加速度峰值要大于其他两测点的，这说明振动在坡面和坡顶出现了放大。为进一步说明斜坡场地对振动的放大作用，对不同列车通过时各测点的加速度峰值进行分析，从图 3 可见:不同列车通过时振动加速度峰值的变化黄土斜坡场地动力特性的现场测试和数值模拟 张荣，等171a测点 1;b测点 2;c测点 3;d测点 4。图 2振动加速度时程曲线Fig2Time-history curves of aceleration at differentmeasuring points1 号列车;2 号列车;3 号列车;4 号列车;5 号列车;6 号列车;7 号列车;8 号列车;9 号列车;10 号列车。图 3不同列车通过时各测点的峰值加速度Fig3Peak ground acceleration at each test pointduring a train in operation规律基本相同，在测点 2 和测点 3 都出现了明显的放大现象，且在测点 3 的放大现象最为明显;但 10号列车通过时测点 3 的峰值加速度出现了衰减，可能是因为列车速度不同所引起的。由于振动频谱特性能够反映出振动的频率成分和振动能量的分布情况，因此为了进一步分析各个测点的振动特性，对加速度时程曲线进行傅里叶变换，得到各测点的加速度频谱曲线，如图 4 所示。可以看出:四个测点的振动频率主要分布在 1080 Hz，振a测点 1;b测点 2;c测点 3;d测点 4。图 4振动加速度频谱Fig4Acceleration spectra at different measuring points动主频集中在4060 Hz，位于坡面测点 2 的频谱单峰值要明显多于其余测点的，说明其能量分布比较分散。2有限元数值模型根据现场测试结果分析可知:黄土斜坡场地对列车振动有放大作用。为了进一步分析黄土斜坡场地对振动的放大效应，对其在列车运行激励、地震激励及其耦合作用下的动力响应进行对比分析。2.1地震动和列车引起振动的差异目前有关于列车荷载作用下路基段场地振动特性的研究，大多采用数值模拟的手段进行研究，但由于缺乏列车运行的实测数据作为振动激励，数值模拟结果的准确性和科学性有待进一步验证。14 因此，将现场记录到高速铁路路基上的加速度时程将作为数值计算模型的动力边界。同时，由于该测点离宝鸡较近，且都在渭河盆地上，两者的场地条件有一定的相似性，15 选择汶川地震汤峪波水平向地震波作为地震动输入。为了解列车振动波与地震波的差异，对两种振动波分别进行时域和频域分析，如图 5 和 6 所示。172工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期图 5 是列车运行引起的振动波和汶川地震汤峪地震波的水平向加速度时程曲线。从中可以看出:两种振动波在时域中的差别非常明显。列车振动波分布比较集中，单峰值有规律的出现，且振动波关于振动加速度为零这条轴线基本对称。汶川地震汤峪地震波波形分布离散，没有对称性，且振动加速度峰值和振动持时要大于对应的列车振动波。a列车运行引起的振动波;b汶川地震汤峪地震波。图 5两种振动波加速度时程曲线Fig5Time-history curves of acceleration for two kinds of vibration waves图 6 是列车激振波和汤峪地震波的频谱曲线。可见:两种波在频域中的振动特性有非常大的差别。列车激振波的频率主要集中在 1080 Hz，其频谱图中有多个单峰值。汤峪地震波振动频率主要集中在0.125 Hz，振动主要集中在低频范围内。从上述分析可知，列车运行引起的振动波与地震波在时域和频域上均明显不同，列车振动波有较长的周期性，振动频率主要集中在 1080 Hz;地震波的随机性强，振动频率主要集中在 0 25 Hz;另外，列车振源和地震震源的位置不同。因此，两种不同的振动引起的场地效应会有明显的差异。2.2黄土斜坡模型的建立利用有限元数值软件 ABAQUS 分别建立路基段列车激励斜坡场地模型、地震激励斜坡场地模型和地震与列车耦合激励斜坡场地模型，并采用二维等价线性时程响应动力分析法对三种振源下黄土斜坡的动力响应进行计算。依据典型地震黄土滑坡4、路基段列车振动相关研究1617 和现场测试概况分别建立三种激励下a列车激振波频谱;b汶川地震汤峪地震波频谱。图 6两种振动波频谱曲线Fig6Spectra of two kinds of vibration waves黄土斜坡有限元模型，模型长为 150 m，斜坡坡度为12，坡高为 20 m;模型单元为平面应变单元，为了防止振动波在模型边界出现反弹，将模型两侧和底部设置为无限元单元;因为单元网格尺寸必须要小于等于振动波的最高频率所对应波长的 1/10 1/818。因此，考虑到网格划分太小，计算时太长的问题，采用了网格尺寸渐变的方式来划分，即在列车荷载输入区域网格划分密集，随着距离越远网格尺寸较大，到模型左、右两侧和底部网格的最大尺寸为2 m。为了对比三种激励作用下黄土斜坡场地动力响应的差别，在其相同位置分别布置了 4 个测点，如图 7 所示。路基由基床表层、基床底层和基床以下路基三部分组成，由于在列车激励作用下路基的变形较小不足以引起破坏，所以假设路基为弹性材料，路基由0.5 m 厚的基床表层、2.3 m 厚的基床底层和 3.6 m厚的路基基础三部分组成16。在二维黄土斜坡有限元动力计算过程中，假设土体为弹塑性体，其破坏服从 DruckerPrager 准则，路基和土体的物理力学参数如表 1 所示1，16。3有限元数值模型的验证为验证所建有限元数值模型的正确性和可行性，将现场各测点峰值加速度的实测值与数值模拟值进行对比分析。由图 8 可以看出:实测结果与数黄土斜坡场地动力特性的现场测试和数值模拟 张荣，等173a列车激励斜坡模型;b地震激励斜坡模型;c地震与列车耦合激励斜坡模型。图 7三种激励作用下的黄土斜坡模型Fig7Loess slope models by three kinds of vibration excitation表 1路基和土体参数Table 1Subgrade and soil parameters名称弹性模量/MPa泊松比阻尼比密度/(kg m3)摩擦角/()黏聚力/kPa基床表层1500.250.021 900基床底层1100.250.021 900路基基础500.300.021 800土体740.310.021 5001454实测值;模拟值。图 8有限元模拟值与实测值对比Fig8Comparisons between simulated and measured values值模拟结果基本一致，说明所建模型能够反映真实情况。4计算结果分析4.1不同激励下黄土斜坡的动力响应通过有限元数值计算，分别得到了在地震激励、列车运行激励及其与地震耦合激励作用下黄土斜坡场地在同一时刻的加速度云(图 9，t=5.0 s时)。从中可以看出:在地震激励作用下，斜坡坡脚、坡面中部和坡顶的加速度出现了放大，坡顶放大最为明显(图 9a);在列车激励作用下，振动加速度的放大效应不明显，坡面和坡顶的振动相比于坡底的略有放大(图 9b);在地震与列车耦合激励作用下，振动加速度在坡面中部出现了很明显的放大(图 9c)。在同一时刻三种激励作用下的加速度分布云有明显的差别，列车与地震耦合激励作用下的加速度最大，地震激励作用下的次之，列车激励作用下的最小。a列车激励下;b地震激励下;c地震与列车耦合激励。图 9不同激励作用下黄土斜坡加速度云(t=5.0 s)Fig9Acceleration contours of loess slopesby different vibration excitation为分析在不同激励下黄土斜坡的动力特性及其场地效应，对比了在三种不同激励作用下不同测点水平和竖向的加速度峰值(表 2)。可知:列车激励下各个测点的峰值加速度最小;地震激励或其与列车耦合激励作用下，坡顶测点 3 的水平向峰值加速度在各工况中都最大，且在地震激励下测点 3 的峰值加速度比波的峰值加速度放大了 3.3 倍;在列车激励工况下，测点 3 的竖向加速度峰值最大，但水平向振动明显较其他测点小。为进一步分析在不同激励作用下黄土斜坡场地不同位置测点的水平和竖向振动特性，将不同激励下各个测点的水平和竖向加速度时程进行 1/3 频程分析，如图 10、图 11 所示。从中可以看出:在不同激励作用下各个测点的三分之一频程曲线有很174工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期表 2不同激振作用下各测点的峰值加速度Table 2Peak acceleration of each point under different vibration excitationcm/s2激励种类测点 1测点 2测点 3测点 4水平竖向水平竖向水平竖向水平竖向地震192.993.2233.2125.8234.8141.9129.1128.1列车4.42.63.44.22.34.83.02.1地震与列车耦合204.0128.0178.3103.8208.7159.0158.3107.0a测点 1;b测点 2;c测点 3;d测点 4。列车激励下;地震激励下;耦合激励下。图 10不同激励作用下各个测点水平方向振动加速度的1/3 倍频程Fig10One third octave of the horizontal vibration acceleration foreach measuring point under different vibration excitation大得差异;各个测点在不同的中心频率处列车激励的振动最小;在中心频率小于 2 Hz 时，在坡脚、坡面和坡顶处的加速度级相差较大，而在坡顶上面测点位置处其相差较小;在中心频率小于 8 Hz 时，地震激励下的加速度要大于耦合激励作用下的加速度;当中心频率大于 8 Hz 时，耦合激励作用下的加速度大于地震激励的加速度;在不同的激励作用下，振动出现放大的频率也有明显的差异。4.2土体参数对振动传播的影响由于振动波在传播的过程中主要受到场地波速和土层厚度的影响，而场地波速又由场地材料的弹性模量所控制。19 因此，研究在三种不同激励作用a测点 1;b测点 2;c测点 3;d测点 4。列车激励下;地震激励下;耦合激励下。图 11不同激励作用下各个测点竖向震动加速度的1/3 倍频程Fig11One third octave of the vertical vibration acceleration foreach measuring point under different vibration excitation下土体弹性模量变化对斜坡场地动力响应的影响。为了掌握土体弹性模量对振动传播的影响，分别计算三种激励作用下黄土斜坡在土体弹性模量为44，74，104 MPa 时的动力响应。提取不同工况下各个测点的水平和竖向峰值加速度来进行对比分析，如图 1214 所示。图 12 是在地震激振下土体弹性模量变化对振动传播的影响。由图 12a 可知:在地震作用下从坡底测点 1 到坡顶上面测点 3 的振动加速度峰值总体上是增大的，但在不同的位置由于弹性模量的变化出现明显的变化;从坡脚测点 1 到坡面测点 2 加速黄土斜坡场地动力特性的现场测试和数值模拟 张荣，等175度峰值在土体弹性模量为 74，104 MPa 时有增大的现象，且在 74 MPa 时增大最为明显，而在弹性模量为 44 MPa 时却发生了衰减;从坡面测点 2 到坡顶测点 3 振动加速度峰值出现了明显的增大，且土体弹性模量变化对其影响很小;在坡顶从测点 3 到测点4 峰值加速度出现强烈衰减，且测点 4 处的峰值加速度在弹性模量为 104 MPa 时最大，在 74 MPa 时最小。从图 12b 可以看出:在地震作用下从坡底测点1 到坡顶上面测点 3 的竖向加速度峰值总体呈放大趋势;在坡顶从测点 3 到测点 4 竖向峰值加速度出现明显衰减，且各个测点峰值加速度的大小与土体弹性模量有密切的关系。a水平向峰值加速度;b竖向峰值加速度。E=44 MPa;E=74 MPa;E=104 MPa。图 12地震激励下土体弹性模量对振动的影响Fig12Influence of elastic moduli of soil onvibration acceleration excited by earthquakes图 13 是在列车运行激励下土体弹性模量变化对振动传播的影响。从图 13a 可以看出:水平向振动加速度峰值从坡底的测点 1 到坡顶的测点总体上表现为衰减;从坡底测点 1 到坡顶测点 2 水平向加速度峰值衰减，但在土体弹性模量为 104 MPa 时测点 3 的竖向加速度峰值出现了增大。由图 13b 可知:在列车运行激励下，从坡底到坡顶竖向加速度峰值总体呈衰减趋势;仅在弹性模量为 74 MPa 时坡底测点 1 到坡顶测点 3，竖向加速度峰值呈明显的放大趋势，在坡顶从测点 3 到测点 4 竖向加速度峰值均出现了衰减。a水平向峰值加速度;b竖向峰值加速度。E=44 MPa;E=74 MPa;E=104 MPa。图 13列车运行荷载激励作用下土体弹性模量对振动的影响Fig13Influence of elastic moduli of soil on vibrationexcited by train operation上述加速度变化的原因，主要是由于土体弹性模量不同，土体中瑞利波速也就不同，在不同激励下当波的振动频率与土体的自振频率接近时，土体出现共振，导致其振动明显增加。图 14 是在地震与列车耦合激励作用下黄土斜坡场地土体弹性模量变化对振动传播的影响。从图14a 可以看出:从坡底测点 1 到测点 3，弹性模量为44，104 MPa 时均呈现出明显的放大现象，而弹性模量为 74 MPa 时水平加速度峰值在测点 2 出现了衰减，但在测点 3 又出现了增大;在坡顶从测点 3 到测点 4 水平向加速度峰值均出现了衰减。由图 14b 可知:从坡底测点 1 到测点 3，弹性模量为 44，74 MPa时竖向加速度峰值呈现出先减小后增大的趋势，而在 104 MPa 时竖向峰值加速度一直呈现出增大现象;在坡顶测点 3 到测点 4，弹性模量为 44，104 MPa时竖向加速度峰值均呈衰减，且弹性模量为 74 MPa时衰减最为迅速，弹性模量为 104 MPa 时竖直加速度峰值继续增大。综上所述，在不同激励作用下黄土斜坡场地的动力响应存在着明显的差异，在不同激励作用下土体弹性模量对振动的传播的有不同的影响，不同位置峰值加速度的大小不仅与振动激励关系，而且与土体弹性模量也有在密切关系。176工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期a水平向峰值加速度;b竖向峰值加速度。E=44 MPa;E=74 MPa;E=104 MPa。图 14耦合激励作用下土体弹性模量变化对振动的影响Fig14Influence of elastic moduli of soil on vibrationexcited by coupled excitation5结束语通过现场震动测试分析列车运行引起黄土斜坡场地的振动特性，并对比了列车激励与地震激励在时域和频域中的差异，建立了在列车运行激励、地震激励及列车与地震耦合激励下的黄土斜坡场地有限元数值模型，对比分析了不同激励作用下黄土斜坡场地的动力响应和土体参数对振动传播的影响，主要得到了以下结论:1)在列车激励作用下黄土斜坡场地的振动主要集中在 1080 Hz，且振动加速度峰值在斜坡坡面和坡顶出现了明显的放大现象。2)列车运行引起的振动波与地震波在时域和频域内存在很明显的差异。列车振动波分布比较集中，单峰值有规律的出现，而地震波波形分布离散。3)在同一时刻三种激励作用下黄土斜坡场地的加速度云有明显区别，在不同激励下，振动出现放大的位置也明显不同。4)各测点在不同激励下的三分之一倍频程曲线有很大的差异，且在不同激励作用下黄土斜坡振动放大的频率也存在明显差异。5)在不同激励下土体弹性模量对振动的传播的有不同的影响，不同位置峰值加速度的大小不仅与激励有关系，而且与土体弹性模量也存在密切关系。参考文献 1王兰民，石玉成，刘旭，等 黄土动力学 M 北京:地震出版社，2003 2赵多银 地震作用下裂隙发育黄土塬斜坡失稳破坏模式与稳定性预测 D 兰州:中国地震局兰州地震研究所，2019 3吴志坚，王兰民，陈拓，等 汶川地震远场黄土场地地震动场地放大效应机制研究J 岩土力学，2012，33(12):37363740 4WANG L M，WU Z J，XIA K，et al Amplification of thicknessand topography of 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