25 t軸重荷載作用下隧底脫空區(qū)域受力特性分析

李又云,孫永梅,折惠東,2

(1.長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710064； 2.中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司,蘭州 730000)

引言

隨著列車運(yùn)行速度及軸重的不斷提高，隧道隧底病害逐漸劣化。鐵路隧道隧底病害主要表現(xiàn)為鋪底混凝土局部開裂，底部翻漿冒泥。尤其鋪底混凝土在經(jīng)過長期的列車荷載作用，加之由于施工原因本就存在的縫隙或脫空區(qū)，混凝土易發(fā)生疲勞破壞，脫空區(qū)越來越大，裂縫不斷拓展，最終導(dǎo)致鋪底混凝土頂面開裂，如圖1所示。

圖1 隧底結(jié)構(gòu)病害

鑒于此，國內(nèi)外非常重視隧底結(jié)構(gòu)問題，在隧底結(jié)構(gòu)病害整治、數(shù)值分析和試驗(yàn)研究工作方面取得了一系列成果[1-4]。對(duì)隧底病害研究方面，牛亞彬[5]從工程實(shí)踐的角度出發(fā)，對(duì)鐵路隧道的各種病害現(xiàn)象進(jìn)行了總結(jié)和歸類，并對(duì)鐵路隧道內(nèi)襯砌開裂漏水和基底脫空、翻漿冒泥提出了治理方法。董風(fēng)榮[6]總結(jié)了鐵路隧道基底部分不同的病害機(jī)理，并發(fā)明了秘井暗管技術(shù)。在數(shù)值模擬方面，Jones[7]模擬了隧道斷面為圓形和矩形兩種情況的數(shù)值模型，分析了列車運(yùn)行時(shí)隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。李德武等[8]采用有限元法分析了隧道及周圍環(huán)境在列車振動(dòng)下的響應(yīng)，并具體研究了仰拱對(duì)列車振動(dòng)的響應(yīng)。鄒文浩、吳秋軍等[9-10]研究了列車荷載作用下重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和動(dòng)力響應(yīng)，并針對(duì)由仰拱不同施工水平形成的3種主要基底結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析。在實(shí)驗(yàn)方面，施成華[11]針對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的隧道基底建立預(yù)測模型，得到各類型的預(yù)測壽命。高峰[12]建立地鐵雙層隧道的模型，分析了上行、下行和上下交會(huì)3種動(dòng)載工況對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響。薛富春[13]針對(duì)隧道不同的底部結(jié)構(gòu)形式，開展了循環(huán)動(dòng)載試驗(yàn)研究工作。付兵先等[14]結(jié)合朔黃鐵路三家村隧道基底在重載列車作用下的現(xiàn)場測試，系統(tǒng)分析了不同圍巖區(qū)段基底填充層的動(dòng)應(yīng)力幅值。對(duì)隧底混凝土存在脫空現(xiàn)象的條件下隧道結(jié)構(gòu)受力性能的研究較少，僅有的研究工作也是針對(duì)隧底不密實(shí)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力特性研究[15-16]，對(duì)于針對(duì)隧底脫空區(qū)域的受力特性專門報(bào)道研究尚未見到。

以Ⅳ級(jí)圍巖的典型鐵路隧道工程為依托，建立圍巖壓力與列車荷載作用下的隧底混凝土脫空區(qū)域的多種工況數(shù)值模型，研究了不同脫空區(qū)域位于不同位置時(shí)的受力特性，為今后鐵路隧道隧底病害整治提供理論依據(jù)。

1 隧底脫空區(qū)域模型建立

1.1 模型工況

我國鐵路隧道在施工時(shí)，存在隧底混凝土厚度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的現(xiàn)象。且參照襄渝線、包西線上等實(shí)際鐵路隧道的斷面情況，以Ⅳ級(jí)圍巖的隧道平底斷面為典型計(jì)算斷面，設(shè)計(jì)行車速度為140 km/h條件下的單線鐵路。

模擬時(shí)主要考慮圍巖壓力與列車荷載作用下的隧底脫空區(qū)域受力特性兩種情況，結(jié)合實(shí)際隧道雷達(dá)檢測與鉆探資料的隧底脫空范圍，模型中脫空區(qū)域厚度取10 cm，寬度取40 cm與80 cm進(jìn)行對(duì)比。結(jié)合隧道跨度，脫空區(qū)距隧道中線橫向距離以80 cm為間隔，脫空區(qū)距隧道中線距離分別為0，80，160 cm。脫空區(qū)具體布置情況見圖2。

圖2 隧底脫空示意

1.2 計(jì)算模型及材料參數(shù)

采用有限元軟件ABAQUS建模，計(jì)算模型埋深取50 m。在確定計(jì)算范圍時(shí)，水平方向上左右兩側(cè)各取50 m，底部邊界取豎直方向上距離隧道中心50 m。數(shù)值模型中，采用六節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元；其中，為直觀看出襯砌部分的應(yīng)力，初期支護(hù)和二次襯砌也采用實(shí)體單元，隧道基底采用人工手段剖分單元網(wǎng)格[17-18]。

1.3 材料參數(shù)的確定

采用圍巖強(qiáng)度準(zhǔn)則摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則[19-20]，將隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土材料及隧道周邊圍巖簡化成均質(zhì)的、各向同性的彈性材料。具體數(shù)值分析計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

1.4 荷載施加

模型的荷載施加主要考慮列車軸重、行車速度、軌道不平順等因素，在數(shù)值計(jì)算模型中列車動(dòng)載的施加，可參照典型的激振力函數(shù)模擬

F(t)=k1k2(P0+P1sin(ω1t)+P2sin(ω2t)+

P3sin(ω3t))

(1)

式中，P0為列車軸重；Pi為典型振動(dòng)荷載；ωi為振動(dòng)圓頻率；ki為分散系數(shù)。對(duì)應(yīng)的取值參見文獻(xiàn)[21]。

列車行車速度取140 km/h，軸重取25 t，則可得到列車動(dòng)載作用的時(shí)程曲線如圖3所示。依據(jù)列車行駛時(shí)間模型動(dòng)載施加時(shí)間取兩個(gè)周期。

圖3 列車軸重25 t動(dòng)載時(shí)程曲線

2 圍巖壓力下脫空區(qū)域的受力特性

2.1 隧底無脫空時(shí)隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

隧底不存在脫空現(xiàn)象時(shí)，計(jì)算得到隧道結(jié)構(gòu)的豎向應(yīng)力分布如圖4所示，該計(jì)算結(jié)果可作為分析脫空區(qū)受力特性的依據(jù)。

圖4 正常斷面隧底應(yīng)力

2.2 脫空區(qū)域周圍的受力特性

為研究圍巖壓力下脫空區(qū)域周圍的受力特性，得到脫空寬度40，80 cm不同位置脫空區(qū)域受拉主應(yīng)力云圖見圖5、圖6，受壓主應(yīng)力云圖如圖7、圖8所示。

圖5 40 cm脫空區(qū)域周圍受拉主應(yīng)力云圖

圖6 80 cm脫空區(qū)域周圍受拉主應(yīng)力云圖

圖7 40 cm脫空區(qū)域周圍受壓主應(yīng)力云圖

圖8 80 cm脫空區(qū)域周圍受壓主應(yīng)力云圖

根據(jù)圖4和圖5～圖8對(duì)比分析可得，隧底脫空區(qū)的存在導(dǎo)致脫空區(qū)域及周圍單位應(yīng)力重新分布，且其應(yīng)力分布規(guī)律發(fā)生顯著變化。

由圖5和圖6可知，脫空寬度80 cm時(shí)的應(yīng)力規(guī)律和脫空寬度40 cm時(shí)規(guī)律一致，脫空區(qū)的存在，會(huì)在區(qū)域中線上壁和外側(cè)頂角混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力，且距隧道中線越遠(yuǎn)，中線上壁拉應(yīng)力越小，外側(cè)頂角混凝土拉應(yīng)力越大。當(dāng)脫空區(qū)距隧道中線1.6 m時(shí)，脫空寬度40 cm與80 cm脫空區(qū)外側(cè)頂角出現(xiàn)的拉應(yīng)力數(shù)值達(dá)到最大值，分別為320 kPa與315 kPa，可見脫空寬度的變化對(duì)拉應(yīng)力的影響較小。

由圖7和圖8可知，脫空區(qū)的存在會(huì)在內(nèi)側(cè)頂角混凝土中產(chǎn)生壓應(yīng)力，隨著區(qū)域距隧道中線越遠(yuǎn)，壓應(yīng)力集中范圍逐漸變小，壓應(yīng)力數(shù)值逐漸增大。當(dāng)脫空區(qū)距隧道中線1.6 m時(shí)，脫空寬度80 cm與40 cm脫空區(qū)壓應(yīng)力達(dá)到最大值，分別為4.3 MPa和1.6 MPa，壓應(yīng)力增大了169%，可見受壓主應(yīng)力對(duì)脫空的寬度更為敏感。

在圍巖壓力下，脫空區(qū)域的應(yīng)力分布在40 cm與80 cm的脫空寬度情況時(shí)的規(guī)律基本一致，隨著脫空位置距隧道中線的距離增大，角落處混凝土的應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯，其中脫空區(qū)周圍受壓，主應(yīng)力對(duì)脫空寬度特別敏感。脫空區(qū)的存在，會(huì)打破原有的基底應(yīng)力的分布狀態(tài)，尤其是在脫空區(qū)邊角部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，易產(chǎn)生開裂破壞，進(jìn)而導(dǎo)致脫空區(qū)域的進(jìn)一步擴(kuò)大。

3 列車荷載作用下的動(dòng)力特性

為了分析列車動(dòng)載作用下脫空區(qū)域上壁的受力情況，在脫空區(qū)域處于不同位置時(shí)，以脫空區(qū)域上壁為路徑做出橫向動(dòng)應(yīng)力特征曲線與豎向動(dòng)應(yīng)力特征曲線。

3.1 脫空區(qū)上壁橫向動(dòng)應(yīng)力

列車動(dòng)載下脫空寬度40 cm與80 cm脫空區(qū)域上壁的橫向動(dòng)應(yīng)力特征曲線如圖9所示。

由圖9可知，在列車荷載作用下，脫空區(qū)上壁出現(xiàn)了拉應(yīng)力，脫空寬度的增加，其上壁橫向拉應(yīng)力均呈現(xiàn)增大，其中當(dāng)脫空區(qū)距隧道中線80 cm，即位于軌道下時(shí)，在80 cm與40 cm脫空寬度時(shí)拉應(yīng)力數(shù)值最大，分別為85 kPa 和28 kPa，相比增大了204%，可見上壁橫向動(dòng)應(yīng)力對(duì)脫空寬度變化特別敏感，由于混凝土的特性是抗壓強(qiáng)度極高，抗拉強(qiáng)度較低，脫空寬度的增加會(huì)使其上壁出現(xiàn)混凝土的受拉破壞。值得注意的是40 cm脫空寬度位于隧道中線處時(shí)上壁不存在拉應(yīng)力，說明隧道中線處隧底脫空寬度小于一定值時(shí)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響較小。

圖9 脫空區(qū)上壁橫向動(dòng)應(yīng)力

3.2 脫空區(qū)上壁豎向動(dòng)應(yīng)力

列車動(dòng)載下脫空寬度40 cm與80 cm脫空區(qū)域上壁的豎向動(dòng)應(yīng)力特征曲線如圖10所示。

圖10 脫空區(qū)上壁豎向動(dòng)應(yīng)力

由圖10可知，隨著脫空區(qū)域?qū)挾鹊脑黾樱渖媳跈M向拉應(yīng)力均呈現(xiàn)增大，當(dāng)脫空區(qū)距隧道中線80 cm，即位于軌道下時(shí)，在80 cm與40 cm脫空寬度時(shí)豎向動(dòng)應(yīng)力最大，分別為150 kPa和100 kPa，相比增大了50%，可見脫空寬度對(duì)其上壁動(dòng)應(yīng)力影響較大；當(dāng)位于隧道中線時(shí)，脫空區(qū)域位于軌道隧道中線下時(shí)的影響較小。位于軌道下時(shí)對(duì)脫空區(qū)上壁受力影響最大，嚴(yán)重時(shí)將影響隧道結(jié)構(gòu)的安全性。

列車動(dòng)載作用下，脫空區(qū)域的上壁應(yīng)力分布在40 cm與80 cm的脫空寬度情況時(shí)的規(guī)律基本一致。在數(shù)值上列車動(dòng)載相對(duì)于圍巖壓力較小，但混凝土材料在循環(huán)荷載下的力學(xué)特性主要表現(xiàn)為：卸載剛度不斷降低；反向加載的單邊效應(yīng)，即當(dāng)裂縫由受拉狀態(tài)變到受壓狀態(tài)時(shí)，張開裂縫的閉合使材料的彈性勁度只有部分恢復(fù)；拉、壓狀態(tài)下?lián)p傷異性率相關(guān)性，使材料的宏觀力學(xué)性能指標(biāo)表現(xiàn)出不同程度的退化或弱化。因此列車動(dòng)載下脫空區(qū)上壁易產(chǎn)生張開型裂縫，使得隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)一步惡化，影響列車行車安全。

4 結(jié)論與建議

(1)在圍巖壓力作用下，脫空區(qū)域中線上壁和外側(cè)頂角混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力，且距隧道中線越遠(yuǎn)，中線上壁拉應(yīng)力越小，外側(cè)頂角混凝土拉應(yīng)力越大；內(nèi)側(cè)頂角混凝土中產(chǎn)生壓應(yīng)力，隨著區(qū)域距隧道中線越遠(yuǎn)，壓應(yīng)力集中范圍變小，壓應(yīng)力數(shù)值增大，脫空的寬度對(duì)壓應(yīng)力影響更明顯。

(2)在列車荷載作用下，脫空區(qū)上壁出現(xiàn)了橫向拉應(yīng)力與豎向動(dòng)應(yīng)力，當(dāng)脫空區(qū)域位于軌道下附近時(shí)，動(dòng)應(yīng)力數(shù)值最大。80 cm寬脫空區(qū)在數(shù)值上與40 cm寬脫空區(qū)相比，上壁橫向動(dòng)應(yīng)力增幅超過200%，豎向動(dòng)應(yīng)力增幅達(dá)50%，說明脫空寬度對(duì)其上壁橫向動(dòng)應(yīng)力影響更加顯著。

(3)當(dāng)隧底混凝土存在脫空現(xiàn)象時(shí)，脫空區(qū)周圍應(yīng)力分布復(fù)雜，拉應(yīng)力與壓應(yīng)力在脫空區(qū)域同時(shí)存在，應(yīng)力突變嚴(yán)重，且脫空寬度加劇脫空區(qū)域應(yīng)力突變的惡化程度，在隧道養(yǎng)護(hù)中發(fā)現(xiàn)脫空現(xiàn)象應(yīng)及時(shí)整治。