隧道洞口段結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

蘇 惠,賈 良,嚴(yán)松宏,張巧慧

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鐵道工程系,陜西 渭南714000;2.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅蘭州730070)

隧道的進(jìn)出口是隧道唯一的暴露部分,是整個(gè)隧道抗震設(shè)防的薄弱環(huán)節(jié)。隧道洞口所處的地質(zhì)條件,多為嚴(yán)重風(fēng)化的堆積體,覆蓋層較薄,容易造成山體失穩(wěn),產(chǎn)生滑動(dòng)和坍塌。大量的地震災(zāi)害表明,地震對(duì)淺埋隧道、偏壓隧道、明洞及洞門的影響較大。在地形、地質(zhì)條件不利的地段,當(dāng)發(fā)生強(qiáng)烈地震時(shí),常由于滑坡、地表開裂、斷層位移等造成洞口堵塞、洞門開裂、襯砌變形等不同程度的破壞[1]。因此,在隧道和隧道洞口位置選擇及具體設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)考慮地震烈度、地形和地質(zhì)條件,特別是地形陡峻的不良地質(zhì)對(duì)隧道的影響。

本文運(yùn)用結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析計(jì)算方法和ANSYS軟件中瞬態(tài)動(dòng)力分析[2]的功能,研究了地震荷載作用下圍巖材料的漸變對(duì)隧道洞口段抗震性能的影響。

1 計(jì)算方法

采用Newmark隱式積分預(yù)估修正算法求解運(yùn)動(dòng)平衡方程[3]。有限元體系在t+Δ t時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)平衡方程為

式中:M為體系的總質(zhì)量矩陣;C為體系的總阻尼矩陣;K為體系的總剛度矩陣;+Δt為體系的節(jié)點(diǎn)加速度向量;+Δt為體系的節(jié)點(diǎn)速度向量;ut+Δt為體系的節(jié)點(diǎn)位移向量;Ft+Δt為外荷載向量為單元應(yīng)變矩陣;為單元應(yīng)力向量。

Newmark方法采用下列假設(shè):式中:δ、γ為積分常數(shù),分別取為0.5、0.25。Newmark隱式積分法是無(wú)條件穩(wěn)定的。

體系的總阻尼矩陣采用瑞利阻尼式中:α、β為常數(shù),可分別按兩種不同的振動(dòng)頻率下測(cè)得的阻尼比ξ加以確定[4]。

2 有限元模型的建立

隧道進(jìn)口段位于右江南岸低山丘陵區(qū),洞身埋藏較淺,埋深約20 m。巖體較破碎,節(jié)理及裂隙發(fā)育。起迄里程為DK11+970～DK13+585,全長(zhǎng)1 565 m。文章選取定造隧道洞口DK11+970～DK12+050段。計(jì)算范圍為:長(zhǎng)×寬×高=80 m×60 m×55 m。采用8節(jié)點(diǎn)三維等參數(shù)單元solid45以及彈簧單元combin14,共劃分單元總數(shù)27 156,節(jié)點(diǎn)總數(shù)29991。隧道結(jié)構(gòu)體系有限元模型如圖1所示。為研究圍巖參數(shù)的變化對(duì)隧道地震響應(yīng)的影響,選取了5組不同的圍巖[5],圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。邊界條件為:底面、兩個(gè)側(cè)面和后側(cè)設(shè)置粘-彈性人工邊界,前側(cè)為自由邊界。圍巖材料沿隧道軸向的分布情況見圖2,計(jì)算工況見表2。

圖1 隧道結(jié)構(gòu)體系有限元網(wǎng)格模型

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

圖2 圍巖沿隧道軸向的分布情況

表2 計(jì)算工況

本文選取EL-Centro[6]水平8度地震波為地震輸入。地震波(震級(jí)M=7.1,震中距50 km,最大加速度NS分量為3.42 m/s,持續(xù)時(shí)間30 s)的前10 s加速度記錄作為輸入的地震荷載,如圖3所示。

圖3 EL-Centro地震加速度南北分量記錄曲線

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 襯砌關(guān)鍵部位應(yīng)力結(jié)果分析

圖4～圖6為各工況下沿隧道軸線方向襯砌邊墻腳處最大應(yīng)力變化曲線。從圖4、圖5中可以看出,不論洞身段圍巖為圍巖5或圍巖4,對(duì)于洞口段分布著地質(zhì)條件差的圍巖,即計(jì)算中洞口段圍巖是由軟弱向較硬的圍巖逐漸變化時(shí),洞口段襯砌的應(yīng)力顯著的增大。從圖6可以看出,對(duì)于未考慮洞口段圍巖分布逐漸變化的情況,即洞身段圍巖與洞口段圍巖相同的情況,洞口段襯砌應(yīng)力與洞身段襯砌應(yīng)力基本相同。

圖4 工況1-沿隧道軸線方向襯砌邊墻腳最大應(yīng)力變化曲線

圖5 工況2-沿隧道軸線方向襯砌邊墻腳最大應(yīng)力變化曲線

圖6 工況3-沿隧道軸線方向襯砌邊墻腳最大應(yīng)力變化曲線

對(duì)照?qǐng)D4和圖5可見,洞口段圍巖由軟弱向較硬的圍巖逐漸變化的長(zhǎng)度越長(zhǎng),洞口段襯砌應(yīng)力就越大,洞口段設(shè)防長(zhǎng)度就越長(zhǎng);圖4中圍巖漸變段長(zhǎng)度為20 m,而圖5中圍巖漸變段長(zhǎng)度為40 m,后者洞口段襯砌最大主應(yīng)力約增大了42%左右;當(dāng)洞口圍巖漸變段長(zhǎng)度為20 m時(shí),襯砌最大應(yīng)力發(fā)生在距洞口15 m處左右,距洞口30 m以后襯砌應(yīng)力才逐漸減小,所以此時(shí)洞口段抗震設(shè)防長(zhǎng)度選取30 m比較合適,當(dāng)洞口圍巖漸變段長(zhǎng)度為40 m時(shí),襯砌最大應(yīng)力發(fā)生在距洞口27.5 m處左右,距洞口50 m以后襯砌應(yīng)力才逐漸減小,所以此時(shí)洞口段抗震設(shè)防長(zhǎng)度選取50 m比較合適。由此可見洞口段設(shè)防長(zhǎng)度與洞口段圍巖性質(zhì)是有很大關(guān)系的。

3.2 襯砌關(guān)鍵部位位移結(jié)果分析

圖7為不同工況下沿隧道軸線方向襯砌拱頂最大位移變化曲線。從圖中可以看出,工況1和工況2洞口段圍巖是由軟弱向較硬的圍巖逐漸變化的,圍巖由洞口越向洞內(nèi)延伸,位移越小;工況1和工況2最大位移均發(fā)生在洞口,工況1最大位移為6.36 mm,工況2最大位移為9.14 mm,后者最大位移約增大了30%左右;工況3洞口段圍巖是均質(zhì)的,沒(méi)有發(fā)生漸變,位移曲線趨于平緩。因此加強(qiáng)洞口位移的檢測(cè)可以進(jìn)行加固長(zhǎng)度的控制[7]。

圖7 各工況下沿隧道軸線方向拱頂最大位移變化曲線

3.3 襯砌關(guān)鍵部位加速度結(jié)果分析

圖8和圖9分別為工況1中洞口襯砌拱頂以及與拱頂相鄰的圍巖加速度時(shí)程曲線。從圖中可以看出兩者很形似,因此可以認(rèn)為在8度水平地震荷載作用下,圍巖和結(jié)構(gòu)的相互作用不大[8,9],也就是襯砌結(jié)構(gòu)的動(dòng)力破壞可能性是較小的。

圖8 襯砌拱頂加速度時(shí)程曲線

4 結(jié)論與建議

(1)洞口段圍巖由軟弱向較硬的圍巖逐漸變化時(shí),洞口段襯砌各關(guān)鍵部位的應(yīng)力均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),洞口段圍巖由軟弱向較硬的圍巖逐漸變化的長(zhǎng)度越長(zhǎng),洞口段襯砌應(yīng)力就越大,洞口段設(shè)防長(zhǎng)度就越長(zhǎng),由此表明洞口段設(shè)防長(zhǎng)度與洞口段圍巖性質(zhì)是有很大關(guān)系的;未考慮洞口段圍巖分布逐漸變化的情況,即洞身段圍巖與洞口段圍巖相同的情況,洞口段襯砌應(yīng)力與洞身段襯砌應(yīng)力基本相同。

圖9 圍巖頂部加速度時(shí)程曲線

(2)洞口圍巖漸變段長(zhǎng)度為20 m時(shí),抗震設(shè)防長(zhǎng)度選取30 m較為合適;洞口圍巖漸變段長(zhǎng)度為40 m時(shí),抗震設(shè)防長(zhǎng)度選取50m較為合適。

(3)洞口段圍巖由軟弱向較硬的圍巖逐漸變化時(shí),圍巖由洞口越向洞內(nèi)延伸,位移越小,最大位移發(fā)生在洞口;當(dāng)洞口段圍巖是均質(zhì)時(shí),沒(méi)有發(fā)生漸變,位移曲線趨于平緩。

(4)在8度水平地震荷載作用下,圍巖和襯砌相互作用不大。

(5)隧道等地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析研究是一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題,影響因素很多,如地震波的選擇和確定,邊界條件的處理,地震波輸入方式等,這些問(wèn)題都有待于進(jìn)一步的研究。

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