基巖軟化條件下仰拱結(jié)構(gòu)疲勞壽命的預(yù)測分析

劉寧　彭立敏　施成華

摘要：由于隧道施工期間擾動(dòng)及重載列車荷載的長期循環(huán)作用，造成底部基巖出現(xiàn)一定范圍的軟化和圍巖力學(xué)參數(shù)降低，引起拱底圍壓的不均勻分布，并影響基底結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。通過引入重載列車振動(dòng)荷載函數(shù)和Miner線性累積損傷理論，建立了考慮基底軟化仰拱結(jié)構(gòu)疲勞壽命的預(yù)測方法，研究列車振動(dòng)荷載作用下基底軟化因素對鐵路隧道底部結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響。計(jì)算結(jié)果表明：在基巖不同軟化條件下，隧道底部結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)分布規(guī)律相似，隧道底部結(jié)構(gòu)各部位動(dòng)拉應(yīng)力和動(dòng)壓應(yīng)力增幅較大，仰拱結(jié)構(gòu)疲勞壽命明顯減小。隧道底部結(jié)構(gòu)仰拱中心處出現(xiàn)拉應(yīng)力最大值，仰拱與邊墻連接處出現(xiàn)壓應(yīng)力最大值。在仰拱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合混凝土疲勞壽命原理，論述了基底軟化條件下隧道底部結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測值。

關(guān)鍵詞：隧道底部結(jié)構(gòu)；疲勞壽命；動(dòng)力響應(yīng)；重載列車荷載

引言

隨著隧道工程建設(shè)量和服役時(shí)間的增加，隧道仰拱下部基巖在列車振動(dòng)及地下水等因素耦合作用下，出現(xiàn)一定范圍和不同程度的軟化、破損等現(xiàn)象。在地下水與基巖的滲流耦合作用下，基巖逐漸軟化、破損、流失、掏空，最終形成了隧道底部基巖空洞，降低了基巖力學(xué)性能，形成了不利的隧道底部基礎(chǔ)條件，影響了隧道底部結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性。由此可見，隧道基底不良狀況的存在對重載列車隧道結(jié)構(gòu)長期服役性能的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

重載鐵路隧道仰拱結(jié)構(gòu)的核心問題是圍巖壓力和列車荷載耦合作用下結(jié)構(gòu)長期服役的穩(wěn)定性及安全性。列車大重量、高密度的運(yùn)營使軌下基礎(chǔ)承受更大的振動(dòng)荷載，使得線路狀態(tài)和軌道結(jié)構(gòu)及底部結(jié)構(gòu)破壞特征較傳統(tǒng)線路變化明顯。隧道底部結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)直接影響到整個(gè)隧道結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。

在數(shù)值計(jì)算方法對隧道振動(dòng)響應(yīng)研究中，一般將整體模型系統(tǒng)劃分為列車一軌道系統(tǒng)和隧道一圍巖系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)。Yang等利用2.5D有限元/無限元方法，通過移動(dòng)載荷模擬列車載荷，分析了車速低于和高于Rayleigh波速時(shí)列車載荷引起的波動(dòng)問題，并對地下列車運(yùn)行引起的振動(dòng)問題進(jìn)行了參數(shù)研究。Bian等采用2.5D有限元方法和吸收人工邊界分析了地鐵運(yùn)行引起的波傳遞問題。sheng等采用波數(shù)有限元與邊界元結(jié)合的方法，求解了地鐵車輛作用下的隧道振動(dòng)響應(yīng)。Andersen等分別采用二維、三維耦合有限元一邊界元方法對列車通過隧道時(shí)引起的振動(dòng)問題進(jìn)行了研究，準(zhǔn)確預(yù)測隧道結(jié)構(gòu)和深度等因素引起的響應(yīng)，需要建立完整的三維模型。Hunt等采用Pipe-in-Pipe的半解析方法預(yù)測地下隧道在地鐵車輛作用下的振動(dòng)響應(yīng)，研究了波在軌道、隧道、土體中的傳播問題。Gupta等采用周期有限元和邊界元耦合方法，結(jié)合Pipe-in-Pipe模型，對隧道中列車運(yùn)行引起的振動(dòng)問題進(jìn)行了數(shù)值分析，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了參數(shù)研究。Degrande等采用有限元方法模擬隧道，邊界元方法模擬土體，并通過模型化方法將土體與隧道三維耦合，預(yù)測了地鐵列車作用下隧道振動(dòng)情況。

本文使用軌道-隧道結(jié)構(gòu)耦合動(dòng)力模型，采用激振力函數(shù)模擬了重載列車荷載，列車振動(dòng)過程中隧道結(jié)構(gòu)之問接觸采用阻尼機(jī)制模擬振動(dòng)波的傳播機(jī)制?；谙嚓P(guān)結(jié)構(gòu)體系振動(dòng)理論運(yùn)用有限元軟件ANSYS進(jìn)行模型的建立和靜力和動(dòng)力分析，并依據(jù)混凝土疲勞壽命模型結(jié)合疲勞分析軟件Fe-Safe計(jì)算模塊定義疲勞荷載、材料疲勞參數(shù)、疲勞計(jì)算方法及其他各種疲勞影響因素。通過有限元軟件ANSYS和疲勞分析軟件Fe-Safe的交互運(yùn)算，模擬分析不同基底狀況對隧道底部結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的影響程度及規(guī)律，隧道底部結(jié)構(gòu)疲勞壽命分布影響規(guī)律。