大跨度穹頂洞室圍巖動(dòng)力響應(yīng)分析

姚慶+王超強(qiáng)+王孟進(jìn)

摘 要：以某地下大跨度穹頂儲(chǔ)油洞室為背景，采用數(shù)值模擬方法分析了地面爆炸荷載作用下穹頂洞室的動(dòng)力響應(yīng)問題。分析結(jié)果表明，地面爆炸荷載作用下穹頂洞室的破壞發(fā)生在側(cè)墻附近以及底板下方一定深度位置，洞室頂部的破壞程度很小，其中側(cè)墻發(fā)生受壓破壞，穹腳和墻腳發(fā)生壓剪破壞，底板下方發(fā)生剪切破壞。因此，對于抗爆穹頂洞室，支護(hù)的重點(diǎn)應(yīng)放在側(cè)墻。同時(shí)，穹頂洞室洞壁各部位的位移分布差異很大，側(cè)墻上部和下部的水平位移值要高于墻中，洞頂?shù)装宓拇怪狈较蛳鄬ξ灰品逯狄h(yuǎn)大于側(cè)墻墻中的水平方向位移峰值，但側(cè)墻會(huì)產(chǎn)生更大的殘余位移值。

關(guān)鍵詞：地下工程 圍巖穩(wěn)定 動(dòng)力響應(yīng) 數(shù)值分析

中圖分類號：TU457 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）11（a）-0054-03

地下防護(hù)工程的建設(shè)中，除需考慮圍巖壓力下的靜力問題外，還要考慮爆炸沖擊荷載作用下的動(dòng)態(tài)問題，涉及到爆炸力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等多門學(xué)科，因此比一般的靜力問題要復(fù)雜的多。以往研究的洞室形態(tài)多為圓形巷道、矩形巷道和直墻拱巷道，對于地下儲(chǔ)油庫常用的穹頂結(jié)構(gòu)洞室在動(dòng)荷載作用下的穩(wěn)定性分析和加固問題涉及不多。地下油庫同其他大型地下洞室一樣，具有邊墻高、跨度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，目前對圍巖我國還沒有大型離壁、貼壁式被覆立式油罐地下石油洞庫工程，其他建設(shè)集中在水電、鐵路建設(shè)方面，但并沒有考慮沖擊荷載作用。本文利用有限元軟件LS-DYNA對地下穹頂洞室在爆炸荷載下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析研究。

1 數(shù)值分析模型

某穹頂洞室的覆蓋層厚度（洞室埋深）為40m，跨度為20m，墻高為20m（高跨比1∶1），穹頂矢高為3.33m（矢跨比1∶6），圍巖等級為Ⅲ級。為真實(shí)反映洞室的受力變形狀態(tài)，首先在動(dòng)力分析之前對洞室圍巖模型進(jìn)行初始自重應(yīng)力場分析，然后在此基礎(chǔ)上施加爆炸荷載進(jìn)行動(dòng)力分析。

圖1為穹頂洞室示意圖，圖2為穹頂洞室圍巖介質(zhì)中的波傳播問題的計(jì)算模型。由于穹頂洞室的旋轉(zhuǎn)對稱性，可將其簡化為軸對稱應(yīng)變問題，過洞室軸線取任一剖面，建立洞室結(jié)構(gòu)的二維平面模型。模型的側(cè)向與底部邊界距離取5倍洞室最大尺寸，可避免人工邊界的反射，水平方向和垂直方向的長度分別為150m和180m。計(jì)算模型采用單點(diǎn)積分的四節(jié)點(diǎn)平面實(shí)體單元進(jìn)行離散，經(jīng)過網(wǎng)格敏感性分析，單元大小為0.25m×0.25m，整個(gè)模型共劃分單元428800個(gè)。

模型的左右邊界上的元件表示水平方向約束，模型底部邊界上的元件從右至左分別表示垂直方向約束和透射邊界。通過設(shè)置透射邊界可使入射到邊界的應(yīng)力波“透射”過去，不至于在邊界上發(fā)生反射，從而對模型內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生影響。標(biāo)志（1）表示僅在計(jì)算初始自重應(yīng)力場時(shí)采用，標(biāo)志（2）表示該元件僅在后續(xù)動(dòng)力計(jì)算時(shí)采用，標(biāo)志（1，2）表示該元件在初始自重應(yīng)力場計(jì)算和動(dòng)力計(jì)算時(shí)都采用。

地面爆炸荷載取為突加線性衰減荷載，荷載作用時(shí)間t取為0.145s，超壓峰值ΔPm取為6.80MPa。根據(jù)相關(guān)規(guī)范給出的地面爆炸荷載簡化波形，如圖3所示。

圍巖簡化為各向同性均勻介質(zhì)，采用LS-DYNA有限元程序中的MOHR-COULOMB理想彈塑性材料模型描述，巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

2 穹頂洞室的動(dòng)力響應(yīng)過程

2.1 應(yīng)力波的傳播過程

圖4為不同時(shí)刻的豎向應(yīng)力的分布圖?？梢钥吹絫=0s時(shí)，初始自重應(yīng)力在洞室周圍形成應(yīng)力重分布。在施加地面爆炸荷載后，應(yīng)力波開始向下傳播：t=0.0170s，應(yīng)力波首先到達(dá)拱頂并由于臨空面的反射在頂部產(chǎn)生大范圍的應(yīng)力下降；t=0.0220s時(shí)，應(yīng)力波到達(dá)墻中，穹腳處出現(xiàn)了明顯的壓應(yīng)力集中；t=0.0358s時(shí)，在應(yīng)力波通過墻腳后，在墻腳處形成應(yīng)力集中，并繞過墻腳向底部中間擴(kuò)散。

2.2 塑性區(qū)的發(fā)展

圖5為地面爆炸荷載作用下洞室圍巖的塑性應(yīng)變發(fā)展圖。可以看到，當(dāng)t=0.0183s時(shí)爆炸應(yīng)力波達(dá)到洞頂并發(fā)生拉伸反射，在洞室上方形成塑性區(qū)；當(dāng)t=0.0226s應(yīng)力波達(dá)到穹腳處，產(chǎn)生塑性區(qū)域并沿墻壁向下發(fā)展，300μs后在穹腳處開始產(chǎn)生塑性應(yīng)變；t=0.0279s時(shí)，穹腳和墻腳處出現(xiàn)最大有效塑性變形值6.41×10-3，同時(shí)墻腳處的塑性區(qū)沿著一定的角度向底板下方擴(kuò)展，并最終在底板下方形成一片貫通的塑性區(qū)域；當(dāng)t=0.0420s時(shí)，洞室塑性區(qū)不再擴(kuò)展，圍巖的塑性區(qū)域面積達(dá)到最大。

2.3 圍巖的受力和變形特征

圖6給出了t=0.420s時(shí)刻的洞室圍巖的第三主應(yīng)力和剪應(yīng)力云圖?？梢钥吹蕉词覀?cè)墻受力明顯高于其他部位，主應(yīng)力所在的區(qū)域和塑性變形區(qū)相吻合，穹腳、墻腳處有較大的剪應(yīng)力集中。

圖7給出了t=0.420s時(shí)刻的洞室圍巖的第三主應(yīng)變和水平位移矢量圖。從圖7（a）的第三主應(yīng)變矢量圖中可以看出，洞室的穹腳、墻腳以及側(cè)墻為壓應(yīng)變，底板下方主要為壓應(yīng)變，少數(shù)單元為拉應(yīng)變從圖7（b）的位移矢量圖中可以發(fā)現(xiàn)，側(cè)墻臨空面的位移值要遠(yuǎn)大于周圍區(qū)域的位移值，且越靠近洞壁位移值越大，側(cè)墻水平位移峰值由上至下呈現(xiàn)出波浪式分布。

圖8和圖9分別為洞頂?shù)装宕怪狈较蛳鄬ξ灰茣r(shí)程曲線和側(cè)墻墻中水平位移時(shí)程曲線。從某一時(shí)刻響應(yīng)開始，洞壁的變形迅速達(dá)到最大值，隨后以近似線性的方式衰減回彈，但位移的回彈沒有回復(fù)到初始值，而是產(chǎn)生了殘余變形。洞頂?shù)装宓拇怪狈较蛭灰品逯狄h(yuǎn)大于側(cè)墻的水平方向位移峰值，這是因?yàn)榇怪狈较蚴潜ê奢d的作用方向，因此，洞壁的垂直方向的位移峰值會(huì)比水平方向的位移峰值要大。同時(shí)可以看到，洞壁底板相對位移峰值雖然很大，但幾乎能回彈到初始值，只有很小的殘余變形，而側(cè)墻水平位移的殘余值要比洞頂?shù)装逑鄬ξ灰频臍堄嘀荡蟮枚唷?/p>

3 結(jié)論

（1）地面爆炸荷載作用下穹頂洞室的破壞發(fā)生在側(cè)墻附近以及底板下方一定深度位置，洞室頂部的破壞程度很小，其中側(cè)墻發(fā)生受壓破壞，穹腳和墻腳發(fā)生壓剪破壞，底板下方發(fā)生剪切破壞。因此，對于抗爆穹頂洞室，支護(hù)的重點(diǎn)應(yīng)放在側(cè)墻。

（2）穹頂洞室側(cè)墻各部位的水平位移峰值由上至下呈現(xiàn)出波浪式分布，各部位的位移大小關(guān)系為：側(cè)墻下部>側(cè)墻上部>側(cè)墻中部。

（3）地面爆炸荷載作用下，洞頂?shù)装宓拇怪狈较蛳鄬ξ灰品逯狄h(yuǎn)大于側(cè)墻的水平方向位移峰值，但側(cè)墻會(huì)產(chǎn)生更大的殘余位移值。

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