譚緒凱,高 峰,徐 偉,羅 興
(1. 重慶交通大學 土木工程學院,重慶 400074;2. 重慶交通大學 省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國家重點實驗室,重慶 400074)
20世紀以來,地下工程在一系列大地震中遭遇了不可修復的嚴重毀壞,如日本阪神地震、中國四川汶川地震中出現地下工程坍塌事故[1-2]。隧道抗震研究逐漸引起學界的重視。
地下工程抗震研究起步相對地面工程要晚得多,其抗震研究方法和理論大多延用了地面工程的成果,但地下結構受圍巖約束隨巖土介質一起振動,自振特性表現不明顯,其地震響應特性與地面結構差別較大。隨著對地下工程地震特性認識的逐漸增多,地下工程的抗震研究方法也在不斷改進。但地下工程屬于支護結構和巖土體共同作用的綜合性承載體系,受巖土體結構復雜性和未知性影響,地震作用下的地下工程受力特性復雜,目前還沒有系統(tǒng)、成熟的理論及抗震減震體系,對于地下結構地震穩(wěn)定性和失穩(wěn)判據等重大問題還未取得突破。目前隧道工程抗震設計規(guī)范條款簡要,主要依附于其他綜合性規(guī)范,直至2019年才開始執(zhí)行國內首個專項規(guī)范(GB/T 51336—2018《地下結構抗震設計標準》),當前所有規(guī)范中關于抗震設防目標及極限地震破壞狀態(tài)判定等關鍵條款還屬于定性或經驗描述,直接影響隧道抗震設計的精確性。
針對地下工程靜力和動力整體失穩(wěn)的極限狀態(tài)判定方法及標準一直是地下工程研究的重點和難點,雖也有大量學者從不同角度對此問題展開了大量研究,取得了很多有效成果,但目前尚未形成普遍認可的、切實可行的地下工程體系整體失穩(wěn)判定方法和理論。
地下工程地震特性研究相對地面工程,雖起步相對較晚,但隨著地下工程建設數量的增加,及地下工程動力研究理論和方法的不斷深入,地下工程抗震研究迅猛發(fā)展。隨著研究深入,目前對地下工程地震響應特性形成了如下認識[3-5]:
1)地震作用下,地下結構受圍巖約束,其地震反應受圍巖體振動變形所控制。故當圍巖體地質條件存在變化,或者存在軟弱破碎帶時,圍巖體之間的相對差異變形容易導致地下結構損壞;地震作用下地下結構的自振特性不明顯;地下結構不同部位具有明顯的相位差;地下結構抗震關鍵是適應圍巖體的地震變形運動,建議在高烈度地震區(qū)設計柔性支護;
2)地震作用下,地下結構和圍巖體重度差會引起慣性力相對差異,導致結構-圍巖間產生相互作用力,且當重度差異越大,該相互作用力越大;
3)地震作用下,地下結構及圍巖結構體系越均勻,地下結構地震響應值越小,地震破壞最容易出現在結構斷面或剛度突變部位;
4)地下結構尺寸一般遠小于地震波長,結構對地震影響可忽略不計。但當某些特定的大型地下結構尺寸接近或大于地震波長時,地下結構必然會對地震波產生影響;
5)地下結構地震反應與地震波波幅、持時、震中距成正比;
6)地下結構主要受地震中的低頻部分影響;
7)地下結構的地震反應受地震波入射角的影響較大;
8)當地下結構位于斷層帶、砂土地層或軟弱破碎帶時,在地震作用下,圍巖有可能出現錯位、液化等失穩(wěn)現象,會直接導致地下結構強制破壞;
9)單從地震荷載影響角度分析,地下結構埋深越深,地震響應越小。
國內外學者通過大量震害調查,統(tǒng)計了地下結構主要的震害有如下類型[6-7]:
1)洞口段:邊仰坡地表開裂、失穩(wěn)、垮塌,支檔防護工程出現裂縫、傾斜、下沉,截排水溝開裂、沉陷等;
2)洞門:洞門墻體開裂、下沉、傾斜、垮塌等;
3)洞身段:隧道襯砌開裂、剝落、錯臺、垮塌、侵限、脫空、滲水等;
4)路面:開裂、下沉或隆起、斷裂、滲水等;
5)檢修道、電纜溝、預埋溝(槽、管)開裂、錯臺等。
通過對地震災害現場調查及地震反應特性研究,總結了地下工程的地震破壞機理如下[8-9]:
1)地震引起巖土介質失穩(wěn)破壞,進而導致地下結構強制破壞。如地震作用導致斷層帶滑移錯臺破壞、砂土地層液化破壞、軟化震陷破壞、邊坡滑坡破壞等,這些圍巖介質破壞將直接導致地下結構發(fā)生強制位移而發(fā)生破壞;
2)地下結構在巖土介質振動變形和相對慣性力差等綜合荷載作用下發(fā)生破壞。該類破壞主要基于地震波能量傳遞過程中地下結構體系自身達到動力強度極限而發(fā)生的破壞。
從地下工程地震反應特性和破壞機理而言,地下工程是支護結構和巖土體構成的共同承載體系;在地震荷載作用下,地下結構體系整體失穩(wěn)破壞是圍巖和支護結構均達到承載能力極限后發(fā)生的,故其失穩(wěn)判定方法應綜合考慮。
地下工程動力受力特性研究相較于靜力受力特性研究要晚得多,靜力學方面研究成果相對系統(tǒng)和成熟。地下工程動力分析方法和理論目前主要以靜力學已有成果為基礎而展開。
地下工程支護結構及圍巖體均為非均勻脆性材料,因此地下結構體系失穩(wěn)具有突發(fā)性。地下工程系統(tǒng)在靜力荷載作用下穩(wěn)定性研究主要集中在施工穩(wěn)定性,臨近工程擾動作用下的穩(wěn)定性,及運營過程中降雨、堆荷等作用下的穩(wěn)定性等。地下工程體系極限承載狀態(tài)判定一直是隧道工程中的重點和難點,受國內外學者重視,但受圍巖體結構的復雜性和未知性限制,很難通過傳統(tǒng)力學分析方法判定失穩(wěn)極限狀態(tài)。故國內外學者從各個角度出發(fā),研究并提出了大量關于地下工程靜力失穩(wěn)極限狀態(tài)判定方法。
極限相對位移(極限位移速率)判定法是最直接、最表觀的方法。該方法通過定義地下結構洞室極限相對位移或極限位移速率等作為失穩(wěn)判定標準。如:朱永全[10]提出通過經驗判定隧道失穩(wěn)的幾個方法:表觀發(fā)現地下工程局部落石或層狀劈裂,初支出現大量裂紋;洞室總變形達到極限值的2/3后還無收斂趨勢;洞室日變形速率達到極限值的10%;洞室變形速率在未受干擾情況下突增?,F行鐵路隧道及公路隧道相關規(guī)范中均根據經驗及實測數據統(tǒng)計總結,考慮洞室跨度、圍巖級別、埋置深度等因素規(guī)定了隧道初支極限相對位移。
地下工程極限相對位移(極限位移速率)判定法雖然很直觀,但由于地質條件的獨特性、復雜性及未知性,每個獨立的工程或區(qū)段極限位移值具有很大的個性特點且很難確定,故其判定誤差很大,甚至會出現誤判。
由于巖體的非連續(xù)性、非均勻性,在其受力過程中呈現出階段性變形特點,目前對地下工程開挖過程中的變形和受力演化階段基本有了共性認識:分為壓密、彈性、塑性及破裂破壞這4個階段[11],不同階段呈現不同的變形特征。劉鎮(zhèn)等[12]基于協(xié)同學方法研究了隧道施工過程中的變形規(guī)律,研究表明:在隧道開挖后,洞室變形經歷了初始平衡變形、等速穩(wěn)定變形、加速失穩(wěn)變形這3個階段,進而提出通過洞室變形加速度預判隧道失穩(wěn)的觀點。郭瑞等[13]通過隧道失穩(wěn)破壞試驗,研究了洞室變形規(guī)律,研究表明:盾構隧道受力變形分為彈性、帶裂縫、失穩(wěn)破壞這3個階段,當從帶裂縫階段過渡到失穩(wěn)破壞階段時,洞室變形速率突增,最終失穩(wěn)。
地下洞室變形速率拐點判定法具有明確的力學機理,且直觀易實現;在目前的失穩(wěn)判定研究中應用較多,且在動力穩(wěn)定性判定過程中也有使用。但該方法存在以下不足:① 決定地下工程變形特征的因素多且復雜,變形速率拐點可能由失穩(wěn)因素以外的其他外部因素導致;② 變形速率往往都是通過關鍵點變形特性體現的,而關鍵點變形速率突增主要體現于局部破壞,但局部破壞并不能完全代表整體失穩(wěn)。
強度準則是描述介質承載破壞極限的準則,根據方法分為理論強度準則和經驗強度準則[14]。理論強度準則是基于材料力學、彈塑性力學等通過嚴格推導演化而來,如莫爾-庫侖準則、D-P準則及修正準則等;經驗強度準則是通過經驗方法統(tǒng)計總結得出,如Hoek-Brown強度準則、Barton-Brown準則等。強度準則雖能從材料力學角度分析材料在極限承載狀態(tài)下的破壞,但材料的破壞并不能體現巖體破壞程度和穩(wěn)定性。因為巖體達到強度極限時依然能承擔荷載,失穩(wěn)往往發(fā)生在應變弱化區(qū)段,而巖石具有流變性,外部因素也能使其進入應變弱化區(qū)段。故在地下工程靜動力分析中,強度準則只能判定體系出現損壞,而無法判定體系出現整體失穩(wěn)破壞[15-16]。
巖體屬于彈塑性脆性材料,基于塑性力學失穩(wěn)判定法由鄭穎人等[17]在邊坡工程中獲得成功應用,其提出的強度折減法已成為邊坡穩(wěn)定性研究的主要方法,其提出通過塑性區(qū)貫通、計算不收斂、位移突然增大等作為失穩(wěn)的判定標準。塑性失穩(wěn)判定法同樣被應用于地下工程,關寶樹[18]通過研究提出將圍巖塑性區(qū)達到0.2倍的隧道直徑作為隧道失穩(wěn)判定標準。E.HOEK[19]提出將塑性區(qū)達到錨桿支護深度后作為隧道失穩(wěn)判定標準。鄭穎人等[20]從剪切破壞和拉壓破壞角度出發(fā),分別提出以地下洞室圍巖塑性應變或位移發(fā)生突變和洞內臨空面處(不包括底部臨空面)圍巖出現第1個單元拉裂破壞作為隧道失穩(wěn)判定標準。
但隧道體系屬于封閉系統(tǒng),圍巖塑性區(qū)的發(fā)展區(qū)域及面積大小與隧道體系失穩(wěn)關聯性并不嚴格,且缺乏共性規(guī)律,因此塑性區(qū)只能作為隧道穩(wěn)定性判定的輔助準則。
支護結構失效判定法是地面結構穩(wěn)定性研究主要方法。目前在地下結構分析中也有運用,如現行隧道規(guī)范中的極限承載能力設計均采用支護結構截面驗算作為支護結構失效判定方法。黃金等[21]在現行規(guī)范的襯砌截面強度驗算公式基礎上,采用貝葉斯網絡工具建立了判定隧道失效功能函數。但地下結構以圍巖和支護結構為共同承載體系,一個或幾個截面破壞并不一定會導致整個體系的失穩(wěn)破壞,故該方法比較片面。
隨著數值計算理論及計算機技術發(fā)展,非連續(xù)介質數值模擬方法逐漸成熟,目前應用較多的主要為離散元法(DEM)和非連續(xù)變形分析法(DDA)等。
離散元法由P.A.CUNDALL[22]提出。隨著理論不斷發(fā)展和完善,目前已形成較成熟的商業(yè)軟件,如UDEC、3DEC、PFC2D、PFC3D等。UDEC、3DEC可基于巖體節(jié)理裂隙建立較真實的巖體模型,實現塊體的大位移、旋轉、滑動及分離,進而模擬巖體非線性大變形特征及地下工程體系的掉塊坍塌過程[23-24]。楊忠民[24]通過理論研究、模型試驗及數值模擬方法相結合,研究了節(jié)理巖體大變形引起的塌方問題,通過UDEC軟件準確模擬了巖體大變形后隧道變形及破壞的受力特性。
UDEC、3DEC軟件的研究對象主要為節(jié)理巖體,但不能模擬巖體中裂隙的產生和發(fā)展過程。PFC 2D、PFC3D顆粒流軟件通過微觀層面建立由顆粒和黏結材料組成的模型,通過微觀顆粒間連接和破壞模擬介質宏觀力學表現(如裂縫的產生和發(fā)展、大變形及結構面的張開、滑移等),其巖體穩(wěn)定性模擬功能更為全面,故PFC2D、PFC3D離散元軟件應用于隧道圍巖穩(wěn)定性方面的研究越來越多[25]。顆粒流軟件是從微觀角度研究宏觀問題,存在單元數量龐大而超出計算機的計算和存儲能力情況,部分學者對此提出了離散-連續(xù)耦合模型。文獻[26-27]通過FLAC/PFC耦合模型模擬了臨近工程施工、層狀軟巖隧道施工過程的洞室及圍巖變形破壞特性,取得了良好的模擬效果。
非連續(xù)變形分析法(DDA)是由SHI Genhua[28]提出,該方法類似于3DEC/UDEC法,只是DDA的塊體為變形體,3DEC為剛體。DDA法能模擬巖體變形和破損效果,被廣泛應用于隧道塌方的研究中。文獻[29-30]通過DDA法分別模擬了節(jié)理隧道的施工過程,分析了隧道穩(wěn)定特性。
非連續(xù)介質力學數值方法較真實的模擬了巖體工程結構特性及其裂損破壞過程,在地下工程施工穩(wěn)定性研究中獲得了較廣泛應用;但目前非連續(xù)介質力學計算參數設定、收斂性及對計算機技術要求較高等問題還有待研究完善,以便更準確地對地下工程穩(wěn)定性進行模擬和研究。
地下工程常規(guī)失穩(wěn)判定方法大多基于強度理論,但巖體構造的復雜性、未知性使得通過嚴格力學推導獲得體系承載極限難度很大。隨著地下工程穩(wěn)定性研究深入,發(fā)現地下工程失穩(wěn)破壞大多從局部破壞開始,由局部破壞向整體失穩(wěn)發(fā)展。在局部破壞和整體破壞之間存在一個穩(wěn)定發(fā)展階段,系統(tǒng)依然能承擔荷載,但當系統(tǒng)達到整體失穩(wěn)臨界點時,地下工程系統(tǒng)總剛度發(fā)生突變,系統(tǒng)由靜止變形轉變?yōu)闊o限變形,系統(tǒng)失穩(wěn)[31]。
地下工程系統(tǒng)在由局部破壞向整體破壞發(fā)展過程中,呈現出明顯的非線性特性,基于此變形特性,非線性理論逐漸被引用到地下工程穩(wěn)定性研究中。耗散結構論、分叉及突變理論、混沌理論、分形理論、加卸載響應比理論、神經網絡等非線性科學理論與巖土工程相結合發(fā)展了大量的交叉理論研究方法。如劉鎮(zhèn)等[32]通過耗散結構理論研究了隧道施工過程中的能量耗散和演化過程,研究了體系能量的非線性發(fā)展規(guī)律,提出了隧道失穩(wěn)判定標準。劉鎮(zhèn)等[12]還基于混沌理論和協(xié)同學方法建立了隧道失穩(wěn)破壞的動力學演化模型及判據。袁永才等[33]通過突變理論研究了地下工程穩(wěn)定性。尹祥礎等[34]提出的加卸載響應比理論在非線性系統(tǒng)失穩(wěn)前兆分析中取得了非常好的預測效果,逐漸被應用到地下工程系統(tǒng)中。
雖然地下工程靜力穩(wěn)定性研究目前還沒有形成系統(tǒng)成熟的失穩(wěn)判定方法,但目前眾多的研究方法均有一定應用價值,為地下工程動力穩(wěn)定性研究奠定了研究基礎,提供了研究思路。
地下工程相對于地面結構具有良好的抗震性能,地震作用下的結構動力失穩(wěn)研究前期大多集中在地面結構。但地下工程在地震作用下的受力特征及響應規(guī)律與地面結構有本質區(qū)別,無法延用地面結構失穩(wěn)判定方法。
地下工程動力穩(wěn)定性研究基于靜力研究展開,但地下工程在地震作用下的受力環(huán)境相較于靜力問題要復雜得多,延用靜力方法需要開展適用性研究和方法優(yōu)化改進;目前地下工程動力穩(wěn)定性研究的數量、深度及研究成果均嚴重不足,還處于定性和初步理論研究階段。
地下工程抗震設防目標延用地面工程的“小震不壞,中震可修,大震不倒”3級設防目標;抗震設計過程中最重要的是保證大震不倒,但規(guī)范中關于“大震不倒”的極限狀態(tài)基本為定性或經驗描述。如《公路隧道設計細則》中描述的隧道結構坍塌判定標準為:襯砌結構出現的塑性鉸達到3處及以上。JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規(guī)范》中規(guī)定:在結構整體變形性能驗算時,以二襯采用的最大收斂值作為驗算指標;當抗震性能要求為2時,最大收斂界限值應不大于洞跨的5.0‰;抗震性能要求為3時,最大收斂界限值應不大于洞跨的15.0‰。GB/T 51336—2018《地下結構抗震設計標準》中只敘述了地震最危險等級性能要求地下結構不倒塌或發(fā)生危及生命的嚴重破壞,而沒說明極限狀態(tài)判定方法。
關于地下結構在地震作用下坍塌破壞的理論研究較少,主要是將靜力穩(wěn)定性研究方法引用到動力穩(wěn)定性分析中,并加以改進。
3.2.1 靜力法、擬靜力法和靜力穩(wěn)定性判定法結合
當直接通過靜力法和擬靜力法進行地下工程地震響應研究時,其失穩(wěn)判定方法即為靜力方法。如張露晨等[35]通過擬靜力法研究了隧道動力特性,引用塊體理論判定結構穩(wěn)定性,并計算了地下結構的安全系數。趙穎等[36]基于擬靜力法及支護結構的塑性損傷本構模型研究了地下結構損傷破壞機理。張佳華等[37]基于擬靜力法及塑性理論研究了非偏壓和偏壓隧道的地震破壞極限。
3.2.2 時程分析和支護結構強度判定法結合
該方法重點基于支護結構損傷本構研究,確定地下結構在地震作用下的失穩(wěn)臨界點判定方法,進而模擬體系的失穩(wěn)破壞。該類研究重點集中于支護結構為主要承載結構的大型地下工程中,如針對阪神地震大開地鐵車站的典型破壞案例,AN Xuehui等[38]基于彌散加筋混凝土模型、土體模型及接觸模型,通過有限元動力分析法研究了大開車站在阪神地震中的失穩(wěn)破壞機理。杜修力[4, 39-40]基于材料軟化、破壞本構模型研究,開展了大量針對大開車站的地震破壞過程模擬和破壞機理研究。
3.2.3 時程分析和塑性力學判定法結合
鄭穎人等[41-42]延用計算不收斂、關鍵點位移突變及塑性區(qū)貫通等靜力穩(wěn)定性判定方法對地下工程動力穩(wěn)定性展開了研究,并嘗試將強度折減法引入到地下工程動力穩(wěn)定性研究中。
3.2.4 非連續(xù)介質數值模擬判定法
雖然非連續(xù)介質方法模擬地下工程動力問題對計算機要求很高,但仍有學者展開了嘗試性研究。崔臻等[43]利用3DEC離散元軟件模擬了某水電站地下洞室的地震穩(wěn)定性。張波等[44],金煒楓等[45]分別建立了基于FLAC-PFC的離散-連續(xù)耦合模型,對阪神地震大開車站坍塌事故進行了時程分析,直觀模擬了車站的失穩(wěn)坍塌過程。
3.2.5 非線性理論判定方法
目前針對非線性理論在地下工程動力穩(wěn)定性判定中的應用研究極少,大部分非線性研究還是在傳統(tǒng)材料動力非線性本構關系(如襯砌的動力損傷本構關系)的基礎上進行,通過傳統(tǒng)時程動力分析進行地下工程的地震響應特性研究[46-47]。
非線性理論目前在巖體工程動力穩(wěn)定性判定主要應用于邊坡工程[48-49],對地下工程應用極少。但源自于地震預測方法的加卸載響應比法著眼于非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性變化的動力學本質,從宏觀上表達系統(tǒng)材料損傷演化過程,在方法論層面體現出該理論的科學性、合理性和先進性,在地質災害預測領域體現出了優(yōu)良的預測效果[50],其原理如圖1。目前在地下工程穩(wěn)定性研究方面也進行了嘗試性研究[51-52],但研究有待于更加深入。
圖1 加卸載響應比原理
振動臺模型試驗是地下工程抗震分析中最重要的研究手段之一,但目前地下工程振動臺模型試驗研究主要集中在地下工程地震響應特性研究,缺乏針對地下工程動力失穩(wěn)規(guī)律的專項破壞試驗研究。信春雷等[53]只是通過振動臺模型試驗呈現了隧道震壞后的裂縫形態(tài);郭子紅等[54]僅通過振動臺模型試驗呈現了強震作用下隧道的塌方范圍,其研究表明:隧道拱頂上方出現近似漏斗形狀的垮塌區(qū)。
綜合可見,目前地下工程動力失穩(wěn)判據研究較少,基本處于定性研究和初步理論研究階段,缺少成熟的判定方法。目前研究主要存在如下問題:
1)當前隧道及地下結構抗震設計規(guī)范中對隧道結構坍塌判定采用的是定性判定標準,該定性標準沒有考慮巖土的破壞性能,缺少理論支撐;
2)地下工程動力失穩(wěn)判定方法的理論研究較少,主要延用靜力判定方法。地下工程動力受力機理較靜力問題要復雜得多,靜力失穩(wěn)判定方法很難直接運用到動力問題中。如塑性判據中的不收斂、位移突變、塑性區(qū)貫通等在動力有限元分析中,受周期循環(huán)的地震荷載影響,判定難度較大;非連續(xù)介質數值模擬方法在地下工程動力分析中的應用還不夠成熟;非線性理論在巖土非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究尚處于初級階段,且主要集中在靜力方面或邊坡動力穩(wěn)定性研究方面,地下工程動力穩(wěn)定性方面研究極少,還有待深入研究;
3)缺乏針對地下工程在地震作用下失穩(wěn)判定方法的振動臺破壞試驗的專項研究。
結合地下工程動力失穩(wěn)判定方法研究現狀及存在問題,建議從以下方面展開更深入研究:
1)非連續(xù)介質力學數值方法可模擬巖土結構的非連續(xù)性,及大位移、旋轉、滑動、分離等受力特征;顆粒流軟件還能模擬出裂縫的產生和發(fā)展,較真實地模擬了巖體工程結構特性及其裂損破壞過程,非常適合開展地下工程穩(wěn)定性研究。受微觀精細化模擬和地下工程巨大計算模型沖突,限制了非連續(xù)方法在地下工程動力分析中的應用,有限元-離散元耦合模型的提出和不斷發(fā)展為從微觀層面研究宏觀的地下工程問題提供了平臺,建議繼續(xù)深入研究和完善有限元-離散元耦合動力模型;
2)加卸載響應比法的提出最初是用于地震預測,該方法著眼于非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性變化的動力學本質,從宏觀上表達系統(tǒng)材料損傷演化過程,加上地震等動力荷載循環(huán)周期荷載符合加卸載條件,因此,基于加卸載響應比理論的地下工程地震穩(wěn)定性研究有待更深入開發(fā);
3)建議加強地下工程在地震作用下失穩(wěn)判定研究振動臺破壞試驗的專項研究;
4)地下工程抗震設計以抗震設防目標為基礎,故建議加強抗震設防目標等級的定量力學描述研究,便于設計工作者在設計中更為準確地根據設防目標開展計算和設計。