高速鐵路隧道基底軟巖動(dòng)力累積損傷特性

王祥秋,蔡 斌,Jiang Ruinian

(1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 環(huán)境與土木建筑學(xué)院，廣東 佛山 528000; 2.廣東工業(yè)大學(xué) 土木交通學(xué)院，

高速鐵路隧道基底軟巖動(dòng)力累積損傷特性

王祥秋1,蔡 斌2,Jiang Ruinian3

(1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 環(huán)境與土木建筑學(xué)院，廣東 佛山 528000; 2.廣東工業(yè)大學(xué) 土木交通學(xué)院，

廣州 510006;3.New Mexico State University,American)

利用相似材料模擬高速鐵路隧道基底軟巖，采用荷載控制和非對(duì)稱正弦波循環(huán)加載方式對(duì)軟巖試件進(jìn)行動(dòng)三軸疲勞與損傷檢測(cè)綜合試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析，建立了軟巖3參數(shù)多項(xiàng)式疲勞壽命計(jì)算模型和4參數(shù)多項(xiàng)式累積損傷參量計(jì)算模型，獲得了軟巖疲勞損傷特性，即：軟巖疲勞破壞表現(xiàn)為端部拉-剪復(fù)合破壞和中部壓-剪復(fù)合破壞兩種模式；疲勞破壞全過(guò)程表現(xiàn)為初始微孔隙壓密、裂紋發(fā)生與穩(wěn)定擴(kuò)展以及損傷裂紋加速發(fā)展3個(gè)發(fā)展階段；軟巖疲勞壽命主要取決于本身強(qiáng)度和動(dòng)應(yīng)力水平，強(qiáng)度愈高、動(dòng)力應(yīng)力水平愈低，其疲勞壽命就越長(zhǎng)；當(dāng)動(dòng)應(yīng)力水平相同時(shí)，軟巖疲勞壽命與其彈性模量呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。

高速鐵路隧道；基底軟巖；疲勞壽命；累積損傷

中國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)表明，在列車振動(dòng)荷載的長(zhǎng)期作用下，軟巖隧道底部結(jié)構(gòu)常因底部軟巖動(dòng)力損傷而受到破壞，導(dǎo)致隧道底部結(jié)構(gòu)因脫空現(xiàn)象而產(chǎn)生超過(guò)允許值的大變形甚至破壞，給鐵路運(yùn)營(yíng)造成了重大的安全隱患。為此，學(xué)者們針對(duì)普通鐵路隧道基底穩(wěn)定性問(wèn)題開(kāi)展了深入的研究，取得了較豐富的研究成果[1-8]。高速鐵路現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試成果表明[9-11]，高速鐵路產(chǎn)生的振動(dòng)影響比普通鐵路更大，可以預(yù)測(cè)高速鐵路運(yùn)營(yíng)將不可避免地對(duì)隧道圍巖產(chǎn)生累積損傷效應(yīng)，特別是處于軟巖地層中的高速鐵路隧道，圍巖累積損傷變形可能產(chǎn)生導(dǎo)致隧道軸線方向不均沉降甚至襯砌結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂與破壞，從而影響高速鐵路列車的行車安全。因此，高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期動(dòng)力穩(wěn)定性問(wèn)題已經(jīng)成為工程界廣泛關(guān)注的重大技術(shù)問(wèn)題。目前，少數(shù)學(xué)者針對(duì)高速鐵路隧道底部軟巖動(dòng)力特性進(jìn)行了探索性研究[12-13]，但關(guān)于高速鐵路隧道底部圍巖疲勞特性與動(dòng)力累積損傷的研究尚少見(jiàn)報(bào)道。本文擬通過(guò)對(duì)隧道圍巖相似材料進(jìn)行室內(nèi)動(dòng)三軸疲勞試驗(yàn)與超聲波損傷檢測(cè)試驗(yàn)分析研究隧道圍巖疲勞與動(dòng)力累積損傷特性。

1 疲勞與損傷試驗(yàn)

1.1 軟巖試樣制備

以武廣高速鐵路改良泥質(zhì)粉砂巖隧道圍巖為研究對(duì)象，考慮到取樣擾動(dòng)以及巖體內(nèi)富含的各類原生裂紋可能導(dǎo)致疲勞試驗(yàn)與超聲波檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)較大離散性，從而影響隧道圍巖累積損傷特性的規(guī)律性分析，故采用相似材料模擬隧道圍巖。在滿足力學(xué)特性相似比的前提下，盡可能模擬泥質(zhì)粉砂巖的物質(zhì)構(gòu)成。為此，采用了中細(xì)砂、水泥以及適量粘性土以模擬泥質(zhì)粉砂巖的物理特性。其中：膠結(jié)材料采用325普通硅酸鹽水泥，4種摻入比αw分別為10%、15%、20%和25%(編號(hào)為SY1～SY4)，以模擬不同強(qiáng)度等級(jí)的隧道圍巖；中細(xì)砂顆粒粒徑d≤0.5 mm，粘性土經(jīng)烘干后過(guò)篩(篩孔直徑為0.05 mm)，粘性土摻入比均取為αt=5%，水灰比均取為C=0.5；試樣尺寸為：39.1 mm×80 mm(如圖1所示)，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行強(qiáng)度與疲勞損傷試驗(yàn)。通過(guò)室內(nèi)三軸試驗(yàn)及液壓伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)獲得SY1～SY4四組試樣90 d齡期強(qiáng)度指標(biāo)如表1所示，其材料組成及強(qiáng)度指標(biāo)相當(dāng)于武廣高速鐵路改良泥質(zhì)粉質(zhì)砂巖，屬于中等軟巖范疇[14-15]。

圖1 相似材料軟巖試件制作Fig.1 Samples of similar materials for soft rock

表1 軟巖試件力學(xué)特性指標(biāo)Table1 Mechanical properties of soft rock samples

2.2 疲勞試驗(yàn)

采用STD-10型微機(jī)控制電液伺服土動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行，該試驗(yàn)系統(tǒng)主要用于軟巖、水泥加固土以及強(qiáng)度較高的粘性土動(dòng)力學(xué)性能研究。疲勞試驗(yàn)施加非對(duì)稱正弦波動(dòng)力荷載，荷載頻率依據(jù)某高速鐵路軌道振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試獲取的列車輪軌主振頻率，確定為f=6 Hz(對(duì)應(yīng)于高速列車運(yùn)行速度v=270 km/s)，荷載最大應(yīng)力幅值分別取為0.85fcm、0.8fcm、0.7fcm、0.6fcm4種，最小應(yīng)力幅值均取為0.05fcm(其中：fcm為試件單軸抗壓強(qiáng)度，具體取值參見(jiàn)表1)。通過(guò)對(duì)4組試件4種應(yīng)力水平共計(jì)16個(gè)試件的疲勞試驗(yàn)成果進(jìn)行整理分析，獲得典型動(dòng)載滯回曲線以及振動(dòng)次數(shù)-動(dòng)應(yīng)變關(guān)系曲線如圖3所示。

圖2 疲勞試驗(yàn)及試件破壞形態(tài)Fig.2 Fatigue test and failure modes

圖3 疲勞試驗(yàn)特征曲線Fig.3 Characteristic curves of fatigue tests

由圖2可知，疲勞試驗(yàn)中試件表現(xiàn)出兩種不同形式的破壞模式，即：端部拉-剪復(fù)合破壞和中部壓-剪復(fù)合破壞，主要取決于試件內(nèi)部初始損傷狀態(tài)。當(dāng)試件的初始損傷出現(xiàn)在端部時(shí)，在軸向動(dòng)荷載反復(fù)作用下，首先在試件端部沿軸向產(chǎn)生損傷裂紋，隨著動(dòng)力荷載作用次數(shù)的不斷增加，軸向裂紋將不斷累積與擴(kuò)展，加之試件受到軸向動(dòng)力荷載往復(fù)作用，最終導(dǎo)致試件產(chǎn)生如圖2(b)所示的軸向剪切與拉伸復(fù)合破壞模式。而當(dāng)試件初始損傷不明顯或者初始損傷微裂紋存在于試件中部時(shí)，在軸向動(dòng)荷載反復(fù)作用下，首先在試件中部出現(xiàn)“X”型剪切破壞裂紋，并在試件中部出現(xiàn)動(dòng)態(tài)壓應(yīng)力集中區(qū)，隨著動(dòng)力荷載循環(huán)作用次數(shù)不斷增加，試件中部損傷不斷積累，并最終形成如圖2(c)所示的復(fù)合壓剪破壞區(qū)。

與此同時(shí)，由疲勞試驗(yàn)特征曲線(如圖4所示)可知，疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，試件變形呈現(xiàn)出特征顯著不同的3個(gè)發(fā)展階段。1)初始微孔隙壓密階段，在軸向動(dòng)荷載作用下，試件中存在的初始損傷微孔隙被壓密閉合，試件變形速率表現(xiàn)為線性增長(zhǎng)到漸趨穩(wěn)定的變化過(guò)程；2)裂紋發(fā)生與穩(wěn)定擴(kuò)展階段，試件內(nèi)部初始損傷被激活，并產(chǎn)生新的損傷裂紋，且隨著加載次數(shù)增長(zhǎng)，裂紋不斷穩(wěn)定擴(kuò)張，試件變形表現(xiàn)為持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)的趨勢(shì)；3)損傷裂紋加速發(fā)展階段，試件內(nèi)部損傷裂紋加速擴(kuò)展，損傷累積不斷加劇，試件變形速率快速增長(zhǎng)，并最終導(dǎo)致試件的破壞。

圖4 疲勞損傷裂紋發(fā)展全過(guò)程Fig.4 Developing process of fatigue damage cracks

2.3 超聲波損傷檢測(cè)

按照疲勞試驗(yàn)加載方式，對(duì)初始超聲波速相等(即初始損傷參量相同)的同一組10個(gè)試件進(jìn)行10個(gè)不同累積振動(dòng)次數(shù)的動(dòng)載荷試驗(yàn)。荷載最大應(yīng)力幅值取為0.7fcm，最小應(yīng)力幅值取為0.05fcm，加載頻率取為f=6 Hz。試驗(yàn)過(guò)程中保持動(dòng)載波形、應(yīng)力幅值等均與疲勞試驗(yàn)完全相同。對(duì)每一個(gè)達(dá)到預(yù)定累積振動(dòng)次數(shù)的試件，采用ZBL-U520型非金屬超聲檢測(cè)儀對(duì)其進(jìn)行超聲波測(cè)試，并根據(jù)超聲波特征值分析累積振動(dòng)次數(shù)對(duì)試件產(chǎn)生的累積損傷效應(yīng)。具體測(cè)試儀器及測(cè)試方法如圖5所示。通過(guò)對(duì)四組共40個(gè)試件的疲勞損傷試驗(yàn)獲得軟巖典型的超聲波特征曲線如圖6所示。

圖5 超聲波損傷檢測(cè)試驗(yàn)Fig.5 Test of ultrasonic damage

圖6 典型(SY4)超聲波特征曲線Fig.6 Characteristic curves of altrasonic wave for SY4

由圖6可知，疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)動(dòng)荷載累積振動(dòng)次數(shù)少于某一界限值時(shí)(如圖6(c)所示)，盡管試件的超聲波波速明顯降低，但其超聲波形態(tài)并未發(fā)生明顯改變，表明試件內(nèi)部雖已產(chǎn)生微觀損傷，但并未發(fā)展形成宏觀損傷裂紋。當(dāng)動(dòng)荷載累積振動(dòng)次數(shù)超過(guò)某一臨界值時(shí)(如圖6(d)所示)，試件超聲波波速繼續(xù)衰減，超聲波形態(tài)也開(kāi)始發(fā)生畸變現(xiàn)象，表明試件內(nèi)部微觀損傷已擴(kuò)展形成宏觀裂紋。當(dāng)試件所受的振動(dòng)荷載次數(shù)繼續(xù)增加，超聲波特征曲線將發(fā)生明顯改變，其超聲波衰減速率以及反射波數(shù)量隨累積加載次數(shù)的增大而不斷增加，表明試件內(nèi)部損傷裂紋數(shù)量也在不斷增大。當(dāng)動(dòng)荷載累積振動(dòng)次數(shù)達(dá)到某一極限值時(shí)(如圖6(f)所示)，超聲波形態(tài)將發(fā)生顯著畸變，不再表現(xiàn)為類似正弦波的變化規(guī)律，開(kāi)始呈現(xiàn)為無(wú)序隨機(jī)波狀態(tài)，表明試件已發(fā)生宏觀破壞。上述各種超聲波形態(tài)特征與試件表現(xiàn)出的宏觀物理性態(tài)完全吻合，可見(jiàn)，非金屬超聲波檢測(cè)方法可有效跟蹤和判定軟巖試件的累積損傷狀態(tài)。

3 疲勞損傷特性分析

3.1 疲勞特性分析

通過(guò)對(duì)SY1-SY4四組試件4種不同應(yīng)力水平共計(jì)48個(gè)疲勞試驗(yàn)(其中：每組試件進(jìn)行4種應(yīng)力水平，每種應(yīng)力水平3個(gè)試件，共計(jì)12個(gè)試件的疲勞試驗(yàn))測(cè)試成果進(jìn)行分析，可得不同強(qiáng)度等級(jí)軟巖疲勞壽命與應(yīng)力水平的關(guān)系曲線，即s-lgN關(guān)系曲線(如圖7所示)。由圖7可知，同一組軟巖試件(組成材料及強(qiáng)度相同)在同一應(yīng)力水平動(dòng)荷載作用下，其疲勞壽命具有一定的離散性；同一組軟巖所受的動(dòng)力應(yīng)力水平愈低，其疲勞壽命就越長(zhǎng)。不同強(qiáng)度等級(jí)的軟巖試件其s-lgN關(guān)系曲線呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，且均可用多項(xiàng)式s=A(lgN)2+B(lgN)+C進(jìn)行很精確地?cái)M合，其相關(guān)性指數(shù)R2≥0.983，具體擬合參數(shù)如表2所示。

圖7 疲勞試驗(yàn)應(yīng)力水平s-lgN關(guān)系曲線
Fig.7 Curves of s-lgN for futigue tests

表2 不同強(qiáng)度等級(jí)圍巖的疲勞曲線擬合參數(shù)表Table2 Fitting parameters of fatigue curves for different soft rocks

3.2 損傷特性分析

假設(shè)圓柱體狀軟巖試件為一維彈性桿件，按一維桿件彈性波傳播原理可知，圓柱體狀軟巖試件沿軸線方向的初始縱波波速可由下式計(jì)算，即

(1)

而當(dāng)試件受到累積振動(dòng)荷載作用發(fā)生損傷以后的縱波波速為

(2)

則根據(jù)彈性體損傷理論，可得試件的損傷參量為

(3)

表3 試件損傷參量計(jì)算表Table3 Damage parameters for samples

續(xù)表3

根據(jù)超聲波測(cè)試結(jié)果，利用式(3)可得試件在不同累積振次數(shù)荷載作用下的損傷參量(如表3所示)，由此可得不同強(qiáng)度等級(jí)軟弱圍巖的累積損傷參量-循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線，即D-N/Nf關(guān)系曲線(如圖8所示),該曲線可用4參數(shù)三次多項(xiàng)式D=a(N/Nf)3+b(N/Nf)2+c(N/Nf)+d進(jìn)行擬合。由圖可知，不同強(qiáng)度等級(jí)的軟弱圍巖表現(xiàn)出相似的動(dòng)力累積損傷進(jìn)程，在相同動(dòng)荷載作用下，軟巖的累積極限振動(dòng)次數(shù)(疲勞壽命)Nf隨強(qiáng)度的增大呈線性增長(zhǎng)(如圖9所示)。但試件破壞時(shí)損傷參量的大小與試件的強(qiáng)度等級(jí)沒(méi)有必然聯(lián)系，其離散性較大。對(duì)比軟巖損傷參量D-N/Nf關(guān)系曲線與累積振次-應(yīng)變關(guān)系曲線(如圖3(b)所示)，發(fā)現(xiàn)兩者之間表現(xiàn)相似的變化規(guī)律，表明軟巖的動(dòng)應(yīng)變?cè)隽颗c其動(dòng)力累積損傷參量同步增長(zhǎng)，兩者互為因果關(guān)系。

圖8 損傷參量D-N/Nf關(guān)系曲線Fig.8 Curves of D-N/Nf

圖9 極限循環(huán)次數(shù)Nf-E關(guān)系曲線Fig.9 Curves of Nf-E

表4 不同強(qiáng)度等級(jí)軟巖累積損傷曲線擬合參數(shù)表Table 4 Fitting parameters of cumulative damage for different strength soft rocks

4 結(jié) 論

1)相似材料疲勞損傷試驗(yàn)結(jié)果表明，隧道軟巖疲勞破壞主要表現(xiàn)為端部拉-剪復(fù)合破壞和中部壓-剪復(fù)合破壞兩種模式。軟巖疲勞試驗(yàn)特征曲線表現(xiàn)為：初始微孔隙壓密、裂紋發(fā)生與穩(wěn)定擴(kuò)展以及損傷裂紋加速發(fā)展3個(gè)階段。

2)基于彈性損傷理論與非金屬超聲波檢測(cè)方法可以較好地反映軟巖疲勞損傷特征，超聲波波速及超聲波形態(tài)特征可以作為軟巖動(dòng)力累積損傷發(fā)展特性的關(guān)鍵性評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)而推廣應(yīng)用于高速鐵路隧道圍巖長(zhǎng)期動(dòng)力損傷狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

3)軟巖的強(qiáng)度愈高、所受到的動(dòng)力應(yīng)力水平愈低，其疲勞壽命就越長(zhǎng)。不同強(qiáng)度等級(jí)的軟巖其s-lgN關(guān)系曲線表現(xiàn)為相似的變化規(guī)律，且可用3參數(shù)多項(xiàng)式進(jìn)行擬合。

4)疲勞損傷試驗(yàn)結(jié)果表明，不同強(qiáng)度等級(jí)軟巖累積損傷參量與循環(huán)振次D-N/Nf關(guān)系曲線可用4參數(shù)三次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，累積振次-動(dòng)應(yīng)變關(guān)系曲線與累積振次-損傷參量關(guān)系曲線具有良好的相關(guān)性。

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(編輯 王秀玲)

Characteristics of dynamic and accumulative damage of soft rock-mass for the basement of high speed railway’s tunnel

WangXiangqiu1,CaiBin2,JiangRuinian3

(1.Department of Environment & Civil Engineering,Foshan University,Foshan 528000，Guangdong,P.R.China 2.Faculty of Civil Engineering of Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006，P.R.China 3.New Mexico University of State,American)

The similar materials is used to simulate the soft rock-mass on the basement of tunnel in the high speed railway. Based on the method of loading control and the cyclic loadings of non-symmetrical sine wave,the dynamic fatigue test of three axial and the damage detection test are carried on for soft rock-mass specimens. With analysis of the results of tests,the polynomial model with three parameters to calculate the fatigue life and the polynomial model with four parameters to calculate the cumulative damage are established for soft rock-masses. And then,some characteristics of fatigue damage has been obtained about the soft rock-mass,such as the fatigue failure of soft rock-mass mainly shows two composite modes those are the tension-shear on the end and the compression-shear on the central of specimen. The whole process of fatigue damage is shown three stages those are the compaction of initial micro-pore,the occurrence and stable propagation of new cracks,and the accelerating development of crack damage. The fatigue life of soft rock-mass mainly depends on itself strength and the level of dynamic stress. The higher strength of itself and the lower level of dynamic stress,the longer fatigue life of rock-mass will be. If the level of dynamic stress has not been changed,the fatigue life of soft rock-mass will be increased linearly with its elastic model.

tunnel of high speed railway; soft rock-mass on the basement; fatigue life; cumulative damage.

10.11835/j.issn.1674-4764.2015.05.004

2014-11-18 基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51278121)；廣東省教育廳重大特色創(chuàng)新資助項(xiàng)目(2014KTSCX155)

王祥秋(1968-),男，博士，教授，主要從事巖土與地下結(jié)構(gòu)工程研究,(E-mail)tongji_wxq@163.com。

Foundation item：National Natural Science Foundation of China(No.51278121);The Major Project Program of the Department of education of Guangdong Province(2014KTSCX155)

TU411.3

A

1674-4764(2015)05-0026-07

Received:2014-11-18

Author brief：Wang Xiangqiu(1968-)，PhD,professor,main research interests:geotechnical and underground engineering,(E-mail)tongji_wxq@163.com.