隧道襯砌結(jié)構(gòu)減震層效能評(píng)定方法的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

聞毓民， 信春雷， 申玉生， 黃澤明， 高 波

(1.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031； 2.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610059；3.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059； 4.西南交通大學(xué) 陸地交通地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

隧道與地下工程相比其他基礎(chǔ)設(shè)施通常具有良好的抗震性能，但強(qiáng)震作用下的隧道結(jié)構(gòu)也會(huì)遭受一定的損傷甚至破壞。一般位于斷層破碎帶和軟硬巖交界面等不良地質(zhì)地段或者隧道斷面形狀發(fā)生突變處更易遭受震害，尤其在1995年阪神地震(7.2級(jí))、1999年集集地震(7.6級(jí))和2008年汶川地震(8.0級(jí))中，有大量的隧道襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較大規(guī)模的震害。其中，最近的汶川大地震曾經(jīng)造成了四川災(zāi)區(qū)至少56座公路隧道出現(xiàn)了不同程度的震害[1]，出現(xiàn)嚴(yán)重震害的公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度占比為24.72%[2]。與此同時(shí)，地球板塊運(yùn)動(dòng)進(jìn)入第五個(gè)活躍期的事實(shí)基本得以確認(rèn)[3]，近十年來(lái)發(fā)生在中國(guó)境內(nèi)且對(duì)隧道結(jié)構(gòu)有較大威脅的地震包括：2010年里氏7.1級(jí)的玉樹(shù)地震，2013年里氏7.0級(jí)的蘆山地震，2017年里氏7.0級(jí)的九寨溝地震以及2019年里氏6.1級(jí)的宜賓地震[4-7]。由于地震發(fā)生的隨機(jī)性和隧道結(jié)構(gòu)具有一定的天然抗震性能，隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工等環(huán)節(jié)對(duì)抗減震性能的重視程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠[8]。然而，一旦強(qiáng)震造成隧道結(jié)構(gòu)破壞，整條交通線路便存在了巨大的安全隱患，嚴(yán)重影響抗震救災(zāi)的生命線，也容易成為社會(huì)輿論的焦點(diǎn)[9]。

強(qiáng)震作用下，工程地質(zhì)環(huán)境較好的隧道結(jié)構(gòu)與圍巖具有理想的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性，不易發(fā)生破壞，反之易遭受嚴(yán)重震害，因此穿越不良地質(zhì)地段的隧道工程施工過(guò)程中需要采取相應(yīng)的控制措施，減弱地震動(dòng)對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響以提高其抗震性能。在隧道襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖之間敷設(shè)一層減震層可能是最簡(jiǎn)單而有效的抗減震措施[10]，減震層可以在隧道襯砌結(jié)構(gòu)的縱軸向和橫斷面方向均發(fā)揮明顯的減震作用[11-12]。目前，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的減震措施要優(yōu)于抗震措施，主要是減震層可以改變圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)之間的地震動(dòng)力相互作用方式[13]。因?yàn)闇p震層的存在，原本的圍巖-襯砌結(jié)構(gòu)可以變?yōu)閲鷰r-減震層-襯砌結(jié)構(gòu)、圍巖-襯砌-減震層結(jié)構(gòu)或者圍巖-減震層-圍巖-襯砌結(jié)構(gòu)等[14]。這種情況下，減震層改變了地震動(dòng)能量的傳遞路徑，避免地震能量從圍巖直接傳遞到襯砌結(jié)構(gòu))[15]。同時(shí)，減震層還可以通過(guò)改變圍巖的地震作用方式降低圍巖的地震作用強(qiáng)度，以及減小圍巖的額外地震動(dòng)力作用[16]。具體而言，減震層能夠在降低圍巖約束的同時(shí)吸收圍巖和襯砌之間縱向的非連續(xù)剪切相對(duì)變形和橫向相對(duì)變形[17]。然而，減震層也不總是發(fā)揮積極的作用，參數(shù)不合適的減震層也會(huì)導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈的地震加速度響應(yīng)和沿縱向的相對(duì)位移，這也會(huì)導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂甚至錯(cuò)臺(tái)等嚴(yán)重的震害形態(tài)。

目前，在實(shí)際隧道工程建設(shè)中的減震層設(shè)計(jì)形態(tài)主要包含平板式和壓注式兩種[18]。工程橡膠是平板式減震層的常見(jiàn)材料[19]，而泡沫混凝土是壓注式減震層的常用材料[20]。不論何種材料參數(shù)，合適的減震層應(yīng)具備較好的變形特性和較低的剪切模量，同時(shí)兼具足夠的靜力承載能力和可持續(xù)使用的能力[21]。減震層的幾何參數(shù)是對(duì)減震層作用效果有著顯著影響的一個(gè)因素，合理的減震層尺寸可以有效地吸收地震動(dòng)能量，減弱地震動(dòng)對(duì)隧道的作用。在前期研究中，提出了減震層效能評(píng)定方法并證明了B1橡塑海綿比硬化橡膠具有更好的減震效果[22]。因此，本文通過(guò)大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，采用減震層效能評(píng)定方法剖析減震層的地震作用機(jī)理，從幾何參數(shù)和材料參數(shù)兩個(gè)維度來(lái)優(yōu)化減震層，提高減震效果。研究結(jié)果可應(yīng)用于高烈度地震區(qū)交通隧道工程的設(shè)計(jì)與施工，同時(shí)為進(jìn)一步研究減震層效能評(píng)定模型以及隧道襯砌結(jié)構(gòu)在其他動(dòng)力作用下的防護(hù)措施提供可靠的理論參考和技術(shù)支持。

1 振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)裝置

本系列試驗(yàn)采用西南交通大學(xué)陸地交通地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室(NEDL)的三向六自由度地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)裝置，該振動(dòng)試驗(yàn)裝置由美國(guó)MTS公司研制和生產(chǎn)(如圖1和表1所示)。振動(dòng)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)方式采用了完全對(duì)稱平行雙缸“V”形結(jié)構(gòu)布局，利用了布局的對(duì)稱性及MTS的控制補(bǔ)償技術(shù)。

圖1 振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)與附屬設(shè)備

表1 振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 模型試驗(yàn)相似關(guān)系設(shè)計(jì)

由于本系列試驗(yàn)的目的是考察地震動(dòng)過(guò)程中隧道襯砌結(jié)構(gòu)的減震層作用效果及襯砌結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力響應(yīng)。因此，首先保證試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膹椥钥沽?、?yīng)變關(guān)系和慣性力與原型相似最為關(guān)鍵。與離心場(chǎng)不同，振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)通常在1g的重力場(chǎng)中進(jìn)行，這將導(dǎo)致重力失真。為了在1g的重力場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)原型的模擬，同時(shí)考慮到圍巖模型中增加配重較為困難，且襯砌結(jié)構(gòu)的尺寸和埋深受模型箱的限制，故本次模型試驗(yàn)采用重力失真模型，則關(guān)鍵的相似比應(yīng)滿足式(1)所示的關(guān)系。

Cε·CE=CLCρ·Ca

(1)

式中:Cε為應(yīng)變相似比；CE為彈性模量相似比；CL為幾何相似比；Cρ為密度相似比；Ca為加速度相似比。

由于模型和原型均處于同一重力場(chǎng)中，則加速度相似比Ca=1，此外，模型與原型的應(yīng)變相似比Cε=1，易于還原原型的地震響應(yīng)和破壞模式。余下的三個(gè)相似指標(biāo)，彈性模量相似比CE和密度相似比Cρ需要進(jìn)行正交配合比試驗(yàn)尋找到合適的相似材料，而幾何相似比CL則決定著試驗(yàn)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性?？紤]到振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)裝置的極限性能參數(shù)，并希望最大限度地發(fā)揮振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的性能，通過(guò)設(shè)計(jì)和計(jì)算確定模型箱的尺寸為2.5 m(長(zhǎng))×2.5 m(寬)×2 m(高)(如圖2(a)所示)。為了消除模型箱的邊界效應(yīng)，在模型箱四周設(shè)置了10 cm厚的聚苯乙烯泡沫板，同時(shí)在模型箱底部澆筑了砂漿層來(lái)增大圍巖模型和模型箱之間的摩擦阻力，消除圍巖模型與模型箱之間不必要的滑動(dòng)(如圖2(b)所示)。模型箱由型鋼、鋼板和角鋼拼裝焊接而成，預(yù)留1.0 m(寬)×1.5 m(高)的矩形開(kāi)口，方便模型填筑和傳感器的布設(shè)。為了避免發(fā)生共振，模型箱與模型系統(tǒng)的自振頻率差別較大。根據(jù)模型箱的尺寸，為了最大限度減小邊界效應(yīng)，確定幾何相似比CL=1/30，則其余控制指標(biāo)相似關(guān)系如表2所示。

(a) 模型箱設(shè)計(jì)效果圖(m)

表2 振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)相似關(guān)系

1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

由于本系列振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)的重點(diǎn)是評(píng)定和優(yōu)化減震層的材料和幾何參數(shù)，提出減震層措施的優(yōu)化選取方法。因此，試驗(yàn)在明確減震層機(jī)理的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化。由于隧道襯砌結(jié)構(gòu)剛度通常大于圍巖剛度，所以地震動(dòng)力作用下襯砌與圍巖之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，襯砌結(jié)構(gòu)阻礙圍巖變形而承擔(dān)較大的慣性力最終導(dǎo)致破壞。減震層的存在充當(dāng)了一個(gè)緩沖帶，在承擔(dān)圍巖相對(duì)位移的同時(shí)又減小圍巖作用于襯砌上的應(yīng)力，前期研究所得結(jié)論表明減震層厚度與襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)半徑之比處于(0, 0.1)區(qū)間內(nèi)是值得研究的范圍，超過(guò)襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)半徑10%厚度的減震層被設(shè)置在襯砌與圍巖之間會(huì)提升造價(jià)且效果不佳。由于本系列試驗(yàn)的襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)半徑為30 cm左右，因此根據(jù)試驗(yàn)的相似比，選取實(shí)際工況中常用的30 cm和60 cm兩種擴(kuò)挖厚度對(duì)應(yīng)的1 cm和2 cm來(lái)設(shè)置減震層厚度。隧道襯砌結(jié)構(gòu)的震害通常是由于襯砌與圍巖的剛度差異引起的相對(duì)位移造成的。根據(jù)大量的文獻(xiàn)檢索和實(shí)地考察，在高烈度地震作用下，襯砌結(jié)構(gòu)在圍巖質(zhì)量較好的環(huán)境中，更多的是追隨圍巖產(chǎn)生剛性位移，這并不會(huì)造成襯砌結(jié)構(gòu)大規(guī)模的損傷，因此根據(jù)隧道工程的圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，在制定振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方案時(shí)設(shè)置對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)在地震中最不利的IV級(jí)與V級(jí)圍巖兩種環(huán)境，同時(shí)配合了無(wú)減震層、1 cm和2 cm厚度減震層三種減震層組合成六種工況(如表3所示)，以此構(gòu)造不同的減震層厚度tb、圍巖彈性模量Es和圍巖泊松比νs等試驗(yàn)條件。在隧道工程的震害實(shí)例中，深埋隧道通常較淺埋隧道輕微，在模型試驗(yàn)中設(shè)置隧道埋深為47 cm，模擬實(shí)際隧道工程15 m左右的淺埋條件。

1.3.1 隧道襯砌相似材料

根據(jù)等效剛度原理，模型試驗(yàn)襯砌厚度等效為2 cm。結(jié)合推導(dǎo)確定的相似關(guān)系，選用重晶石、石英砂、硅藻土、石膏和水作為襯砌結(jié)構(gòu)的相似材料。采用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行相似材料的配比設(shè)計(jì)，通過(guò)單軸抗壓試驗(yàn)測(cè)定襯砌結(jié)構(gòu)模型材料的彈性模量和泊松比(如圖3(a)所示)。最終確定滿足相似比要求的配合比為重晶石∶石英砂∶硅藻土∶石膏∶水=0.4∶0.1∶0.2∶0.6∶1。襯砌結(jié)構(gòu)相似材料的物理力學(xué)參數(shù)與相似關(guān)系匹配程度如表4所示。

(a) 襯砌相似材料試件

表4 襯砌結(jié)構(gòu)相似關(guān)系程度

模型試驗(yàn)中的襯砌模型表面刷有一層清漆來(lái)模擬襯砌結(jié)構(gòu)表面的防水層，嚴(yán)格控制石膏試件的養(yǎng)護(hù)條件，同時(shí)防止襯砌模型受潮而影響物理力學(xué)參數(shù)。襯砌結(jié)構(gòu)模型采用鋼筋網(wǎng)模擬襯砌的配筋，根據(jù)相似關(guān)系，鋼筋直徑等效為0.8 mm，縱橫向間距均為10 mm。制作成型的隧道襯砌結(jié)構(gòu)模型如圖3(b)所示。

1.3.2 圍巖相似材料

圍巖模型的相似材料一般由骨料、膠結(jié)料和輔助材料構(gòu)成，對(duì)應(yīng)的原材料為河砂、機(jī)油和粉煤灰。根據(jù)原型的圍巖等級(jí)，調(diào)整三者之間的配合比，并對(duì)不同配合比的混合材料開(kāi)展直剪試驗(yàn)，測(cè)定圍巖模型相似材料的密度、彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角等物理力學(xué)參數(shù)。最終確定IV級(jí)圍巖的河砂、機(jī)油和粉煤灰質(zhì)量比為40∶10∶50；V級(jí)圍巖的河砂、機(jī)油和粉煤灰質(zhì)量比為40∶15∶45。圍巖模型相似材料的物理力學(xué)參數(shù)及其相似程度如表5所示。

表5 圍巖模型相似材料相似關(guān)系程度

在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，將圍巖模型相似材料逐層均勻攤鋪到模型箱中并均勻攤鋪到襯砌模型周圍。每層圍巖模型填筑厚度控制在10 cm左右，為了保證圍巖模型填筑完成后的密度一致，每層填筑完畢均須用重錘夯實(shí)。在填筑過(guò)程中和填筑完成之后都會(huì)隨時(shí)獲取襯砌結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)照片以判斷和識(shí)別襯砌結(jié)構(gòu)的初始損傷，如圖4所示，襯砌結(jié)構(gòu)完好，證明襯砌沒(méi)有因重錘夯實(shí)而造成初始損傷。在圍巖模型填筑完成之后，需要靜待7～8 h實(shí)現(xiàn)圍巖模型相似材料的沉降和壓實(shí)，保證圍巖模型可以很好地再現(xiàn)圍巖原型的地震動(dòng)力行為。如圖5所示，模型箱中的左右兩邊分別為V級(jí)圍巖和IV級(jí)圍巖的模型相似材料。

(a) A段襯砌端部觀測(cè)

圖5 圍巖相似材料

1.3.3 隧道減震層相似材料

本系列試驗(yàn)選取B1橡塑海綿作為模型試驗(yàn)的減震層材料(如圖6所示)，B1橡塑海綿的密度為60 kg/m3，彈性模量為1.38 MPa，泊松比為0.3，滿足試驗(yàn)的相似關(guān)系及相關(guān)要求。為了研究減震層幾何參數(shù)的影響，減震層的厚度設(shè)置為1 cm和2 cm兩組試驗(yàn)進(jìn)行激振。并且在IV級(jí)和V級(jí)圍巖中還分別設(shè)置了無(wú)減震層包裹的襯砌區(qū)段作為對(duì)比，其中，無(wú)減震層包裹的襯砌結(jié)構(gòu)每段長(zhǎng)為80 cm，減震層包裹的襯砌區(qū)段長(zhǎng)度為40 cm(如圖7(a)所示)。

圖6 減震層相似材料

(a) 振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)方案

1.3.4 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

隧道減震層的設(shè)置主要是減弱襯砌結(jié)構(gòu)橫斷面方向的地震動(dòng)響應(yīng)[23-24]，因此，為了減小襯砌端部對(duì)減震層的影響，襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置在距離襯砌兩端均為20 cm的中間部位。其中，V級(jí)圍巖中為2號(hào)應(yīng)變監(jiān)測(cè)斷面，IV級(jí)圍巖中為3號(hào)應(yīng)變監(jiān)測(cè)斷面。為了對(duì)比分析減震層的作用效果，在無(wú)減震層的襯砌結(jié)構(gòu)距離圍巖邊界60 cm位置處也設(shè)置了兩個(gè)應(yīng)變監(jiān)測(cè)斷面，V級(jí)圍巖中為1號(hào)應(yīng)變監(jiān)測(cè)斷面，IV級(jí)圍巖中為4號(hào)應(yīng)變監(jiān)測(cè)斷面(如圖7(a)所示)。每個(gè)應(yīng)變監(jiān)測(cè)斷面在拱頂、左右拱肩、左右邊墻、左右拱腳和仰拱等8個(gè)位置處內(nèi)外均設(shè)置了應(yīng)變片，故每個(gè)應(yīng)變監(jiān)測(cè)斷面共有16個(gè)應(yīng)變片(如圖7(b)所示)。在對(duì)應(yīng)的應(yīng)變監(jiān)測(cè)斷面拱頂上方設(shè)置有加速度計(jì)，用以考察襯砌結(jié)構(gòu)在有無(wú)減震層保護(hù)下的橫向地震動(dòng)力響應(yīng)。加速度計(jì)以A和數(shù)字組合的形式表示，編號(hào)與應(yīng)變監(jiān)測(cè)斷面一致。此外，振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上固定了A0加速度計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)實(shí)際輸入的地震波信號(hào)強(qiáng)度，模型箱上方固定有A5加速度計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼w地震動(dòng)力響應(yīng)。

1.3.5 試驗(yàn)加載方案

試驗(yàn)動(dòng)力加載采用記錄于汶川地震基巖臺(tái)站的茂縣地震波東西向分量作為臺(tái)面輸入，與隧道軸線垂直的水平方向進(jìn)行激震，選擇原地震波20～165 s期間的地震波，加速度峰值和持時(shí)均按照時(shí)間相似比壓縮，持續(xù)時(shí)間為30 s。地震動(dòng)的加速度峰值按照 0.05g，0.1g，0.2g，0.3g和0.4g由小到大逐級(jí)增加，對(duì)應(yīng)于GB/T 51336—2018《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[25]中的6-9級(jí)抗震設(shè)防烈度的設(shè)計(jì)基本地震加速度取值(如表6所示)，分別模擬不同加速度峰值條件下的隧道襯砌結(jié)構(gòu)在減震層作用下的動(dòng)力響應(yīng)過(guò)程和最終損傷狀態(tài)。地震波加速度時(shí)程曲線如圖8(a)所示，地震波的峰值地面加速度(PGA)為0.4g左右，相當(dāng)于IX度地震。地震波能量在時(shí)間域上主要集中在前15 s內(nèi)，在頻率域上主要集中在15 Hz內(nèi)(如圖8(b)所示)。

(a) 輸入地震波的加速度時(shí)程

2 減震層效能評(píng)定方法

(a) 地震動(dòng)力作用下的隧道結(jié)構(gòu)橫向變形模式

Xin等通過(guò)非線性大型地震動(dòng)力數(shù)值計(jì)算，采用多元非線性回歸分析得出了減震層效能的評(píng)定方法(式(2))。該評(píng)定方法充分考慮了圍巖和減震層材料的物理力學(xué)參數(shù)，在實(shí)際選取減震層時(shí)，可以根據(jù)隧址區(qū)的地質(zhì)條件和施工條件改變減震層的幾何與材料參數(shù)來(lái)選取最為經(jīng)濟(jì)合理的減震層。

Rb=0.713-0.187e-29.92r0/H-0.166e-21.14tb/r0+

0.135e-223.41Eb/Es-0.000 4e11.34νb-0.002e8.42νs

(2)

式中:Rb為減震層效果評(píng)定系數(shù)，Rb=1-ul,b/ul,s，ul,b和ul,s分別為減震層和圍巖變形作用下襯砌結(jié)構(gòu)外表面的最大變形量；r0/H為襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)半徑與埋深之比；tb/r0為減震層厚度與襯砌內(nèi)半徑之比；Eb/Es為減震層與圍巖的彈性模量之比；νb為減震層的泊松比；νs為圍巖的泊松比。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 IV級(jí)圍巖中的隧道減震層效能評(píng)定

首先對(duì)比分析IV級(jí)圍巖中的隧道減震層效能計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果之間的差異。如圖10所示，虛線是根據(jù)式(2)計(jì)算的評(píng)估值，無(wú)論減震層的厚度如何，隨著激振加速度峰值的提高，實(shí)際試驗(yàn)值均偏離評(píng)估值。這主要是因?yàn)橐r砌結(jié)構(gòu)經(jīng)多輪激振之后存在損傷的積累，影響了評(píng)定的準(zhǔn)確性。因此，減震層效能的評(píng)估方法應(yīng)該在原有式(2)的基礎(chǔ)上考慮激振加速度峰值升高對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)損傷的影響，引入襯砌結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力損傷系數(shù)改進(jìn)減震層效能評(píng)定方法，拓展該評(píng)定方法在高烈度地震區(qū)的適用范圍和準(zhǔn)確性。通過(guò)計(jì)算圖10(a)和(b)的標(biāo)準(zhǔn)差可得，1 cm厚度減震層試驗(yàn)與評(píng)估值的標(biāo)準(zhǔn)差為σ1 cm=0.027，而2 cm厚度減震層的試驗(yàn)值與評(píng)估值標(biāo)準(zhǔn)差為σ2 cm=0.023。

(a) 厚度為1 cm的減震層地震動(dòng)力響應(yīng)

3.2 V級(jí)圍巖中的隧道減震層效能評(píng)定

襯砌結(jié)構(gòu)置于V級(jí)圍巖中，減震層作用下的評(píng)定值與模型試驗(yàn)結(jié)果的差異與在IV級(jí)圍巖中類似。隨著輸入的激振加速度峰值逐漸增大，模型試驗(yàn)的結(jié)果逐漸偏離式(2)計(jì)算出的評(píng)估值。通過(guò)計(jì)算圖11(a)和(b)的標(biāo)準(zhǔn)差可得，1 cm厚度減震層模型試驗(yàn)值與評(píng)定值的標(biāo)準(zhǔn)差為σ1 cm=0.030，2 cm厚度減震層模型試驗(yàn)值與評(píng)定值的標(biāo)準(zhǔn)差為σ2 cm=0.029。顯然，厚度較大的減震層作用下的評(píng)估值更加準(zhǔn)確，較厚的減震層可以為襯砌結(jié)構(gòu)提供更好的保護(hù)不至于產(chǎn)生嚴(yán)重的損傷。與IV級(jí)圍巖中的試驗(yàn)結(jié)果相比，圍巖條件更差的工況更易造成襯砌結(jié)構(gòu)的損傷，試驗(yàn)值更加偏離。因此，根據(jù)本系列模型試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析，圍巖級(jí)別相較于減震層的厚度對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)更具決定性的作用。

(a) 厚度為1 cm的減震層地震動(dòng)力響應(yīng)

通過(guò)分析IV級(jí)和V級(jí)圍巖中減震層試驗(yàn)值與評(píng)定值之間的偏差，采用數(shù)據(jù)擬合的方法，引入以地震加速度峰值a為變量的地震動(dòng)力損傷系數(shù)K提高式(2)中減震層效能評(píng)定方法的精度(如表7所示)。因此，在實(shí)際工程中，可以根據(jù)隧址區(qū)的圍巖物理力學(xué)參數(shù)以及當(dāng)?shù)氐目拐鹪O(shè)防烈度，經(jīng)濟(jì)合理地選擇減震層的參數(shù)。

表7 不同工況對(duì)應(yīng)的地震動(dòng)力損傷系數(shù)

3.3 隧道襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)變響應(yīng)分析

襯砌結(jié)構(gòu)各部位在逐級(jí)加載后的最終應(yīng)變累積絕對(duì)值如圖12所示，結(jié)合減震層效能評(píng)定方法，分析襯砌結(jié)構(gòu)橫斷面在不同減震層作用下的地震動(dòng)力響應(yīng)狀態(tài)。如圖12(a)所示，在IV級(jí)圍巖中的無(wú)減震層工況下，拱肩和拱腳獲得了相對(duì)較高的地震動(dòng)應(yīng)變值，因?yàn)橐r砌結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖變形具有較強(qiáng)的追隨性，且拱腳部位的半徑較小，在地震動(dòng)力作用下容易發(fā)生較大的變形。受到1 cm厚度減震層的保護(hù)，襯砌結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)應(yīng)變值大幅降低，地震動(dòng)應(yīng)變值最高發(fā)生在拱肩處，其余部位的地震動(dòng)應(yīng)變值均在60 με以下，最高值發(fā)生在拱肩處，說(shuō)明1 cm厚度的減震層不能夠改變襯砌結(jié)構(gòu)橫斷面沿共軛45°對(duì)角線交替拉伸壓縮的基本變形形態(tài)。在2 cm厚度減震層的作用下，襯砌結(jié)構(gòu)橫斷面整體的地震動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)有進(jìn)一步下降，其中拱腳和仰拱處的降幅最為明顯。這是因?yàn)樵黾恿藴p震層的厚度，原本受到圍巖較強(qiáng)約束的拱頂、拱腳和仰拱部位更易產(chǎn)生剛性變形而非相對(duì)變形，這會(huì)引起地震動(dòng)應(yīng)變值的降低。因?yàn)榧ふ竦姆较驗(yàn)榇怪庇谒淼垒S線的橫向，最易受到地震動(dòng)力損傷的拱肩和邊墻部位受到減震層的保護(hù)效果較為明顯。

(a) IV級(jí)圍巖

與評(píng)定方法獲得的結(jié)論一致，圍巖級(jí)別相比于減震層的厚度更能凸顯決定性作用，如圖12(b)所示，V級(jí)圍巖中的襯砌-減震層結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)幅值有顯著增高。無(wú)減震層工況下的襯砌結(jié)構(gòu)追隨較差的圍巖發(fā)生地震動(dòng)變形，導(dǎo)致拱肩變形極為顯著。施作了減震層的襯砌地震動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)大幅降低，特別是拱肩處的應(yīng)變響應(yīng)，說(shuō)明在圍巖質(zhì)量較差的工況下，減震層保護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)的作用更為明顯。值得注意的是，減震層的存在可以使得拱頂、拱腳和仰拱等原本受圍巖約束牢固的部位出現(xiàn)一定的剛性變形，所以減震層在襯砌結(jié)構(gòu)橫斷面范圍內(nèi)全包的型式可以根據(jù)效能評(píng)定公式進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，以發(fā)揮減震層最大的效能同時(shí)兼顧工程造價(jià)，實(shí)現(xiàn)減震層的最優(yōu)化設(shè)計(jì)和施作。

3.4 隧道襯砌結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)分析

定義加速度放大系數(shù)為各加速度計(jì)獲取的試驗(yàn)值與臺(tái)面加速度計(jì)A0獲取值之比。如圖13所示，根據(jù)加速度的監(jiān)測(cè)位置可知，圍巖級(jí)別仍然對(duì)減震層效能的發(fā)揮起著決定性的作用。與V級(jí)圍巖相比較，IV級(jí)圍巖完整性好，彈性模量高，與襯砌結(jié)構(gòu)的剛度更為匹配。在地震動(dòng)力作用下，IV級(jí)圍巖中的加速度放大系數(shù)比在V級(jí)圍巖中更小，更接近于地震波加速度，證明襯砌結(jié)構(gòu)更多地追隨圍巖振動(dòng)產(chǎn)生剛性位移而非相對(duì)位移。因此，如圖13(a)所示，IV級(jí)圍巖在1 cm厚度減震層作用下，襯砌結(jié)構(gòu)的加速度大小明顯減小，說(shuō)明襯砌與圍巖良好的剛度匹配引起襯砌對(duì)圍巖變形的追隨現(xiàn)象明顯。其次，如圖13(b)所示，激振加速度峰值較大時(shí)，2 cm厚度減震層作用下的襯砌結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)比1 cm厚度減震層作用下的振動(dòng)響應(yīng)更強(qiáng)烈，說(shuō)明高烈度地震區(qū)不宜采用厚度較大的減震層。盡管厚度較大的減震層可以導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生剛性變形而非相對(duì)變形，但“懸掛作用”會(huì)使得襯砌振動(dòng)更加強(qiáng)烈。隨著激振加速度峰值的增大，減震層在不同圍巖中的效果差異逐漸降低。因此，在高烈度地震區(qū)，襯砌與圍巖的動(dòng)力響應(yīng)趨于一致，但圍巖與襯砌剛度的差異會(huì)加劇相對(duì)變形，導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)嚴(yán)重的損傷，同時(shí)也驗(yàn)證了穿越軟硬巖交界面的隧道襯砌結(jié)構(gòu)易遭受嚴(yán)重破壞的機(jī)理。減震層的存在改變了襯砌結(jié)構(gòu)的自振特性，讓襯砌與圍巖之間在地震動(dòng)力作用下有一定的剛性位移裕度，減少相對(duì)位移幅值。

(a) 1 cm厚度減震層的襯砌結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)

3.5 隧道襯砌結(jié)構(gòu)地震損傷狀態(tài)

將襯砌結(jié)構(gòu)模型從圍巖模型中取出，用記號(hào)筆標(biāo)注襯砌結(jié)構(gòu)最終的地震損傷形態(tài)，如圖14所示。無(wú)減震層工況下的襯砌結(jié)構(gòu)損傷較為嚴(yán)重，底部仰拱已碎裂為平板狀，兩側(cè)拱腳向上隆起并沿隧道軸線方向出現(xiàn)貫通裂縫，拱腳部分完全破壞。拱肩和邊墻部位臨近端部的橫斷面損傷極為嚴(yán)重，出現(xiàn)明顯的襯砌剝落和掉塊現(xiàn)象，導(dǎo)致鋼筋出露(如圖14(a)所示)。IV級(jí)圍巖中的1 cm減震層效果整體不及2 cm厚度的減震層(如圖14(b)和14(c)所示)，襯砌結(jié)構(gòu)在減震層的保護(hù)下，拱頂、拱肩和邊墻等上部結(jié)構(gòu)未見(jiàn)明顯的損傷痕跡，但拱腳和仰拱部位依然損傷較為嚴(yán)重。1 cm厚度的減震層在IV級(jí)圍巖中不能阻止拱腳的貫通裂縫以及仰拱的隆起，但2 cm厚的減震層在IV級(jí)圍巖中發(fā)揮了明顯的減震作用，盡管襯砌結(jié)構(gòu)的損傷部位仍舊集中在拱腳和仰拱，但損傷輕微且裂縫不貫通。V級(jí)圍巖中的1 cm厚度減震層效果則遠(yuǎn)不及2 cm厚度的減震層(如圖14(d)和14(e)所示)。V級(jí)圍巖中1 cm厚度減震層作用下的襯砌結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)與IV級(jí)圍巖中較為相似，仰拱碎裂隆起，拱腳部位出現(xiàn)貫通裂縫，上部結(jié)構(gòu)則較為完好。V級(jí)圍巖中2 cm厚度減震層的作用效果與IV級(jí)圍巖中也較為類似，損傷部位依舊是拱腳和仰拱，但損傷狀態(tài)輕微?？傮w而言，減震層可以有效避免襯砌結(jié)構(gòu)在地震過(guò)程中產(chǎn)生的損傷，而且厚度較大的減震層保護(hù)效果更顯著。與減震層的作用相比，圍巖級(jí)別的差異對(duì)襯砌損傷響應(yīng)狀態(tài)的影響更為明顯。

(a) 無(wú)減震層襯砌損傷狀態(tài)

4 結(jié) 論

通過(guò)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)驗(yàn)證了減震層效能評(píng)定方法在最不利的IV級(jí)和V級(jí)圍巖環(huán)境下的可靠性和準(zhǔn)確性，評(píng)定了不同厚度的減震層在IV級(jí)和V級(jí)圍巖工況下的響應(yīng)狀態(tài)，提出了減震層效能評(píng)定方法的改進(jìn)方向和具體措施。在此基礎(chǔ)上，研究了減震層作用下的襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖在激振過(guò)程中的相互作用，試驗(yàn)結(jié)果可以指導(dǎo)根據(jù)地質(zhì)條件和施工條件選擇和施作減震層。研究的主要結(jié)論如下：

(1) 通過(guò)不同厚度減震層和圍巖條件的大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)驗(yàn)證了減震層效能評(píng)定方法的準(zhǔn)確性，該方法可以較為準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)減震層在地震動(dòng)力作用下對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的作用效果，可以指導(dǎo)改變減震層的幾何與材料參數(shù)來(lái)選取減震層以達(dá)到最優(yōu)的減震效果。然而，隨著激振加速度峰值的增加，減震層效能評(píng)定方法會(huì)產(chǎn)生較小的偏差。

(2) 根據(jù)抗震設(shè)防烈度與設(shè)計(jì)基本地震加速度取值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，針對(duì)不同工況引入了相應(yīng)的地震動(dòng)力損傷系數(shù)K，K值可以提高減震層效能評(píng)定方法在不同抗震設(shè)防烈度下的準(zhǔn)確性，從而指導(dǎo)減震層在實(shí)際工程中的合理選用。

(3) 圍巖條件更差的工況在地震動(dòng)力作用下更易造成襯砌結(jié)構(gòu)的損傷，襯砌直接與圍巖接觸導(dǎo)致襯砌對(duì)圍巖變形的追隨現(xiàn)象非常明顯，因此，圍巖級(jí)別相較于減震層的厚度對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)更具決定性的作用。

(4) 減震層對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的拱肩和邊墻部位的保護(hù)效果較為明顯，但減震層存在最優(yōu)厚度，超過(guò)該厚度會(huì)使得襯砌結(jié)構(gòu)在地震中振動(dòng)更加強(qiáng)烈。

(5) 減震層的存在實(shí)際是改變了襯砌結(jié)構(gòu)本不明顯的自振特性，讓襯砌與圍巖之間在地震動(dòng)力作用下有一定的剛性位移裕度，減少相對(duì)位移幅值。