陶連金,侯 森,趙 旭,仇文革,郭 飛,李書(shū)龍
(北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100124)
對(duì)阪神地震、集集地震、汶川地震公路隧道的震害調(diào)查發(fā)現(xiàn),隧道洞口段以及洞身段地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜變化地段(圍巖性質(zhì)急劇變化處、斷層破碎帶處、結(jié)構(gòu)剛度急劇變化處和高地應(yīng)力地段)是震害的嚴(yán)重區(qū)段,其中,隧道洞口段是僅次于斷層破碎帶段的抗震薄弱區(qū)段。隧道洞口段隧道結(jié)構(gòu)的主要震害包括洞門(mén)冒石被砸壞、洞門(mén)開(kāi)裂滲水、明洞被落石砸壞;邊仰坡開(kāi)裂、崩塌、滑塌、掩埋洞口;襯砌開(kāi)裂、底板隆起、錯(cuò)臺(tái)、剝落、掉塊、垮塌等[1-6]。
目前國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)隧道洞口段的震害機(jī)制開(kāi)展了一些研究,主要包括不同的原型隧道洞口段抗震設(shè)防長(zhǎng)度、隧道洞口段的抗震的薄弱環(huán)節(jié)、洞口段減震層的作用效果及機(jī)制、淺埋偏壓隧道洞口段的加速度及內(nèi)力響應(yīng)[7-11]。在以往的研究中,大部分學(xué)者把加速度在洞口段的放大范圍作為確定抗震設(shè)防長(zhǎng)度的主要指標(biāo),然而加速度的放大并一定是襯砌受力的決定性因素,且學(xué)者們?cè)谘銎缕露葘?duì)坡面與襯砌的動(dòng)力響應(yīng)研究方面大多局限于數(shù)值分析,未經(jīng)過(guò)模型試驗(yàn)的驗(yàn)證,故對(duì)山嶺隧道洞口段的動(dòng)力響應(yīng)研究還需要不斷完善,本文依據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[12],針對(duì)V 類(lèi)圍巖,并基于25°、35°、45° 三個(gè)不同的仰坡坡度,開(kāi)展山嶺隧道洞口段動(dòng)力模型試驗(yàn)(模型尺寸見(jiàn)圖1),以揭示不同仰坡坡度下隧道洞口段的地震響應(yīng)特征,為隧道洞口段抗震設(shè)計(jì)提供參考。
圖1 試驗(yàn)?zāi)P统叽缡疽鈭D(單位:cm)Fig.1 Physical dimension of model(unit:cm)
根據(jù)相似理論,長(zhǎng)度、密度、彈性模量與重力加速度需滿(mǎn)足特定的比例關(guān)系,實(shí)際材料配比時(shí)困難較大,故本試驗(yàn)忽略重力加速度的相似,采用相似關(guān)系的實(shí)用模型。試驗(yàn)將長(zhǎng)度、彈性模量、密度作為基本物理量,考慮到臺(tái)面尺寸、模型箱邊界效應(yīng)以及圍巖模型材料配制的限制,將幾何相似比確定為1:50,彈性模量為1:60,密度為1:1,其他物理量根據(jù)相似關(guān)系推出[13],見(jiàn)表1。
表1 試驗(yàn)物理量相似比Table 1 Similarity ratio of parameters in test
模型材料除了滿(mǎn)足相似關(guān)系的物理力學(xué)性質(zhì)外,還應(yīng)滿(mǎn)足性質(zhì)穩(wěn)定、質(zhì)量輕、成本低等要求。圍巖與隧道襯砌相似材料考慮的主要物理力學(xué)參數(shù)有圍巖的內(nèi)摩擦角、黏聚力、重度、變形模量,襯砌的重度與彈性模量等。
根據(jù)圍巖相似材料物理力學(xué)參數(shù),選用石英砂、粉煤灰、洗潔精作為原材料,設(shè)計(jì)正交試驗(yàn),并經(jīng)過(guò)多次配比試驗(yàn)后得到圍巖相似材料的質(zhì)量組分配比石英砂:粉煤灰:洗潔精為420:170:80,圍巖相似材料的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。
表2 圍巖原型材料與模擬材料物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Rock parameters of the model and prototype
襯砌相似材料采用石膏、石英砂、重晶石粉與水作為原材料,通過(guò)調(diào)整不同的水膏比,以得到滿(mǎn)足試驗(yàn)要求的配比(見(jiàn)表3),最后確定隧道襯砌相似材料的質(zhì)量組分配比為石膏:石英砂:重晶石粉:水=1.0:1.0:1.8:2.0。
試驗(yàn)將圍巖材料簡(jiǎn)化為連續(xù)的單一均質(zhì)材料,不考慮地層性質(zhì)的變化。初期支護(hù)噴射混凝土的設(shè)計(jì)等級(jí)為C20,設(shè)計(jì)厚度為25 cm,二襯混凝土的設(shè)計(jì)等級(jí)為C25,設(shè)計(jì)厚度為50 cm。由于模型制作的困難,將實(shí)際設(shè)計(jì)中的復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)按照強(qiáng)度等效原則簡(jiǎn)化為單層襯砌,再根據(jù)相似關(guān)系得到襯砌模型的厚度為2 cm,襯砌很薄,很難將鋼筋放入襯砌模型中,故在襯砌結(jié)構(gòu)中不考慮鋼筋的影響。考慮到襯砌結(jié)構(gòu)間施工縫的存在,將襯砌模型分5節(jié)進(jìn)行澆筑,除首節(jié)長(zhǎng)30 cm 外,其余皆為20 cm 長(zhǎng)。
表3 隧道襯砌原型材料與模擬材料物理力學(xué)參數(shù)Table 3 Lining parameters of the model and prototype
試驗(yàn)箱采用無(wú)蓋設(shè)計(jì),其內(nèi)部尺寸為1.5 m×1.5 m×1.5 m,為便于觀察試驗(yàn)過(guò)程和裝卸模型材料,在模型箱正面留有一觀察孔,其尺寸(寬×高)為0.5 m×0.8 m,見(jiàn)圖2。
圖2 模型箱正視圖Fig.2 Front view of model casting
模型試驗(yàn)采用先開(kāi)洞后加載的填筑方式,即在圍巖填筑過(guò)程中就把襯砌埋入。為了使模型箱與底部圍巖材料能夠同步振動(dòng),焊接2 根7 cm×7 cm 角鋼,并鋪設(shè)直徑為5 cm 左右的碎石于模型箱底板。為了吸收地震波在模型箱上的反射和散射,使圍巖在邊界處可以自由變形,在模型箱內(nèi)壁布置10 cm厚聚苯乙烯泡沫板,并在板上貼聚苯乙烯薄膜以減小邊界處圍巖與泡沫板之間的摩擦,以最大程度的減小邊界效應(yīng)。
試驗(yàn)采用經(jīng)相似關(guān)系換算后的人工合成波作為振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面輸入地震波,其加速度時(shí)程曲線及傅里葉譜如圖3、4 所示。Wang[14]指出,襯砌的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮S 波以垂直與隧道軸向入射的情況,故試驗(yàn)中采用水平向(X 向)輸入激振,并將地震波的幅值調(diào)整為0.1g、0.2g、0.4g、0.6g、0.8g 幅值由低到高進(jìn)行加載??紤]到采用相似關(guān)系換算后的地震波輸入時(shí),地震動(dòng)輸入的持時(shí)短,且位移量小,難以達(dá)到完全破壞狀態(tài),為了觀察模型破壞過(guò)程,試驗(yàn)最后對(duì)模型逐級(jí)加載與其自振頻率相近的正弦波,對(duì)其進(jìn)行共振破壞試驗(yàn),正弦波的加載幅值由0.1g 開(kāi)始,并以0.2g為間隔進(jìn)行逐級(jí)加載,直至模型破壞。由共振加載前的白噪聲掃頻結(jié)果可知,3個(gè)模型的自振頻率分別為26.697、24.967、14.650 Hz。
試驗(yàn)采用北京工業(yè)大學(xué)地震模擬振動(dòng)臺(tái),臺(tái)面尺寸為3 m×3 m;頻率范圍為0.4~50 Hz,最大模型重量為10 t。
圖3 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)輸入地震波加速度時(shí)程曲線Fig.3 Curve of acceleration-time of input seismic wave
圖4 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)輸入地震波傅里葉譜Fig.4 Fourier spectra of input seismic wave
為了能讓不同仰坡模型的加速度反應(yīng)具有橫向?qū)Ρ刃?,將加速度傳感器布置在距箱底相同高度的圍巖平面上,列舉35°仰坡模型加速度傳感器布置如圖5 所示。圖中,A10為緊貼襯砌結(jié)構(gòu)外布置,以測(cè)定襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)與外部圍巖中的加速度反應(yīng)情況,參考圖12。經(jīng)過(guò)對(duì)不同仰坡模型的加速度響應(yīng)進(jìn)行分析可知,不同模型的加速度響應(yīng)規(guī)律基本一致,僅在數(shù)值上存在差異。
圖5 加速度傳感器布置圖(單位:cm)Fig.5 Arrangement of acceleration sensor(unit:cm)
圖6為在同一加載工況下35°仰坡模型中間縱剖面上不同高程處加速度時(shí)程曲線及其傅里葉譜,由圖可見(jiàn),(1)監(jiān)測(cè)點(diǎn)A9、A10、A14、A16 的加速度時(shí)程曲線自箱底輸入的地震波經(jīng)過(guò)圍巖介質(zhì)向上傳播,傳播過(guò)程中加速度峰值逐漸放大,且存在一定的時(shí)間延遲。(2)監(jiān)測(cè)點(diǎn)A14、A16 的傅里葉譜可知,地震波在經(jīng)過(guò)圍巖介質(zhì)的傳播后,其頻譜特性會(huì)發(fā)生明顯的變化,臺(tái)面輸入地震波的卓越頻率為12 Hz,而圍巖中的地震波的卓越頻率則為17 Hz。(3)監(jiān)測(cè)點(diǎn)A9、A10 的加速度時(shí)程曲線及其傅里葉譜顯示,圍巖與襯砌的加速度及其傅里葉曲線相似,說(shuō)明在振動(dòng)過(guò)程中襯砌基本與周?chē)鷩鷰r發(fā)生協(xié)同運(yùn)動(dòng),襯砌的自振特性并沒(méi)有得到體現(xiàn)。
圖6 模型不同位置加速度時(shí)程曲線及傅里葉譜Fig.6 Curves of acceleration-time and fourier spectra for different slope model at same loading case
圖7為不同仰坡模型在同一加載工況下襯砌的加速度放大系數(shù)沿隧道軸向的變化。由圖可見(jiàn),(1)對(duì)于不同的仰坡坡度模型,加速度放大系數(shù)沿隧道軸向均呈現(xiàn)出先減小后趨于平穩(wěn)的變化形式,且不同模型同一位置的加速度放大系數(shù)隨著坡度的增加而減小。由此可知,由于洞口臨空面的存在,加速度在洞口處具有放大效應(yīng),不同的仰坡角度下均符合這一特性,但隨著仰坡坡度的增加,襯砌的加速度放大系數(shù)逐漸減小。
圖7 不同仰坡模型襯砌加速度放大系數(shù)沿軸向變化曲線Fig.7 Curves of PGA magnification coefficient parallel to the tunnel axis
為了分析模型在振動(dòng)過(guò)程中的位移響應(yīng),試驗(yàn)通過(guò)布設(shè)相對(duì)位移傳感器以測(cè)得每節(jié)襯砌縱向中心處相對(duì)于臺(tái)面的位移值。具體布設(shè)步驟為:先將應(yīng)變片端子粘貼至每節(jié)襯砌的縱向中心處,接著將鋼絲焊接在端子上,通過(guò)埋設(shè)的PVC 管將鋼絲引至鋼箱外部(見(jiàn)圖8),最后將鋼絲與固定在臺(tái)面支架上的相對(duì)位移傳感器相連(見(jiàn)圖9),其中PVC 管的埋設(shè)是為了減少鋼絲與圍巖之間的摩擦,使測(cè)定的位移值更加合理。
圖8 圍巖內(nèi)部鋼絲布設(shè)示意圖Fig.8 Sketch of layout of steel wire inside the surrounding rock
圖9 相對(duì)位移傳感器布置Fig.9 Arrangement of relative displacement sensors
由于不同仰坡模型所采集的位移時(shí)程曲線相似,故僅列出25°仰坡模型不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線,如圖10 所示。由圖可見(jiàn),(1)由隧道洞口向洞內(nèi)延伸,襯砌的位移時(shí)程曲線相似,但會(huì)有一定的時(shí)間延遲,且位移峰值會(huì)逐漸減小。
圖10 0.365 g 加載時(shí)25°仰坡模型位移時(shí)程曲線Fig.10 Curves of displacement-time for 25° slope model
圖11為在同一加載情況下不同仰坡模型襯砌結(jié)構(gòu)位移峰值沿隧道軸向的變化曲線。由圖可見(jiàn),(1)與加速度反應(yīng)規(guī)律相似,對(duì)于不同仰坡模型,襯砌位移沿隧道軸向均呈現(xiàn)出先減小后趨于平穩(wěn)的變化形式,是由于洞口臨空面的存在,使襯砌位移在洞口處同樣具有放大效應(yīng),隨著向洞內(nèi)延伸,位移值逐漸減小,并在距洞口一定距離處趨于穩(wěn)定。
圖11 0.365 g 加載時(shí)不同仰坡模型位移沿軸向變化曲線Fig.11 Curves of displacement along tunnel axis for different slope model
(2)隨著洞口仰坡坡度的增大,不同仰坡模型襯砌位移沿隧道軸向變化曲線逐漸趨于平緩,即洞口處的位移放大效應(yīng)逐漸減弱,并且在襯砌的相同位置,25°仰坡模型的位移值明顯大于其他仰坡模型。
由圖11 中顯示的規(guī)律可知,隧道洞口段位移響應(yīng)同樣會(huì)有時(shí)間延遲和放大效應(yīng),這種現(xiàn)象與襯砌的覆土厚度和加速度反應(yīng)有關(guān),洞口處覆土厚度淺,周?chē)鷩鷰r對(duì)襯砌的約束小,且洞口處襯砌的加速度具有放大效應(yīng),其慣性力會(huì)增大,故在洞口處會(huì)呈現(xiàn)出襯砌位移的放大效應(yīng),隨著仰坡度數(shù)的減小,這種位移的放大效應(yīng)會(huì)逐漸明顯。
隧道洞口處襯砌位移的時(shí)間延遲和放大效應(yīng),會(huì)造成襯砌間運(yùn)動(dòng)的非一致性,導(dǎo)致襯砌沿軸向彎曲,從而產(chǎn)生附加彎矩與剪力,還有可能發(fā)生襯砌的橫向、斜向和環(huán)向裂縫,且施工縫處的錯(cuò)臺(tái)破壞也與此有關(guān)。
試驗(yàn)在襯砌上布置了5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,其中2個(gè)主要監(jiān)測(cè)斷面和3個(gè)輔助監(jiān)測(cè)斷面,應(yīng)變片的具體布置見(jiàn)圖12。
圖12 試驗(yàn)傳感器布置圖(單位:cm)Fig.12 Arrangement of sensors(unit:cm)
選取不同仰坡模型在同一加載工況下主要監(jiān)測(cè)斷面的應(yīng)變值,得到襯砌橫斷面不同位置的應(yīng)變峰值,見(jiàn)圖13。由圖可見(jiàn),(1)對(duì)于不同的仰坡模型,不同的斷面,襯砌在兩側(cè)的拱肩和拱腳的應(yīng)變值明顯大于其他位置,且拱腳的應(yīng)變略大于拱肩。(2)在同一斷面,隨著洞口仰坡坡度的增加,襯砌橫斷面上同一位置的應(yīng)變值逐漸增大,但值得注意的是,對(duì)于A-A 斷面,25°仰坡模型襯砌橫斷面的應(yīng)變值基本大于35°仰坡模型。
圖13 0.365 g 加載時(shí)不同仰坡模型斷面應(yīng)變峰值柱狀圖Fig.13 Columnar section of max strain at cross section for different slope model
在襯砌的C-C 斷面內(nèi)外表面均布置有應(yīng)變片,故可通過(guò)公式計(jì)算出不同時(shí)間點(diǎn)的彎矩圖,圖14為2個(gè)時(shí)刻不同仰坡模型C-C 斷面的彎矩圖。由圖可見(jiàn),(1)對(duì)于不同仰坡模型,襯砌在振動(dòng)過(guò)程中承受循環(huán)的拉壓荷載作用,地震附加彎矩均集中在兩側(cè)的拱肩和拱腳位置;(2)在相同時(shí)刻,隨著仰坡坡度的增加,隧道襯砌所受彎矩逐漸增大,表明隧道襯砌的受力與覆土厚度直接相關(guān),覆土厚度越大,襯砌受力越趨于不利。
由上述應(yīng)變分析可知,洞口不同仰坡坡度對(duì)結(jié)構(gòu)的受力特征并無(wú)影響,在振動(dòng)過(guò)程中結(jié)構(gòu)承受循環(huán)的拉壓荷載作用,兩側(cè)的拱肩和拱腳位置為主要的抗震設(shè)防區(qū)域;
隨著覆土厚度的增加,襯砌的地震附加彎矩逐漸增大,值得注意的是,同樣的加載工況下,25°仰坡模型A-A 斷面的應(yīng)變基本大于同一斷面的35°仰坡模型,與上述總結(jié)的規(guī)律相矛盾,這一現(xiàn)象的發(fā)生,是由于25°仰坡模型在洞口處襯砌加速度放大現(xiàn)象明顯,且圍巖對(duì)其約束較小,襯砌的慣性力對(duì)其受力產(chǎn)生較大影響。
圖14 不同仰坡模型襯砌C-C 斷面相同時(shí)刻彎矩圖(單位:kN·m)Fig.14 Bending moment diagram of C-C cross section at different time for different slope model(unit:kN·m)
試驗(yàn)在每次加載工況結(jié)束后,均會(huì)對(duì)坡面進(jìn)行觀察,檢查是否有破壞現(xiàn)象出現(xiàn),通過(guò)對(duì)不同仰坡模型坡面破壞情況的觀察,可得如下結(jié)論:
(1)25°和35°仰坡模型的洞口處,襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用顯著,坡面的首條裂縫均出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)周?chē)?,且結(jié)構(gòu)周?chē)鷩鷰r局部掉塊現(xiàn)象嚴(yán)重。對(duì)于45°仰坡模型,坡面的首條裂縫則出現(xiàn)在坡頂,襯砌結(jié)構(gòu)周?chē)鷩鷰r幾乎無(wú)破壞情況出現(xiàn),見(jiàn)圖15。
圖15 不同仰坡模型初始破壞示意圖Fig.15 Initial failure at the portal section of the tunnel for different slope model
(2)在共振破壞試驗(yàn)階段,試驗(yàn)開(kāi)始前,25°仰坡模型坡面基本保持完好,在某一加載工況下,坡面局部突然發(fā)生局部的崩塌破壞,破壞范圍主要集中在結(jié)構(gòu)拱頂以上67~80 cm 處。對(duì)于35°仰坡模型,在地震波逐級(jí)加載的過(guò)程中,先是在坡面產(chǎn)生豎向且斜向下延伸的裂縫,隨后在結(jié)構(gòu)拱頂向上7.5 cm 的區(qū)域發(fā)生局部的滑塌現(xiàn)象。45°仰坡模型,先是在坡頂產(chǎn)生裂縫,并隨著裂縫的加深和貫通,坡頂處發(fā)生局部的滑塌現(xiàn)象。不同仰坡模型,坡面崩滑的圍巖會(huì)不同程度堵塞并掩埋洞口,見(jiàn)圖16。
圖16 不同仰坡模型最終破壞剖面圖Fig.16 Ultimate failure at the front slope surface for different slope model
通過(guò)以上對(duì)不同仰坡模型坡面破壞的描述,可得到以下結(jié)論:隨著仰坡坡度和坡高的增加,洞口處圍巖與結(jié)構(gòu)的相互作用逐漸變?nèi)?;且隨著仰坡坡度的增加,坡面破壞形式由局部的崩塌破壞變化到結(jié)構(gòu)拱頂附近的局部滑塌,最后變?yōu)槠马數(shù)母呶换?,但坡面的這幾種破壞形式均為淺層破壞,不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過(guò)大的強(qiáng)制位移,使其承受附加荷載,可坡面坍塌的圍巖會(huì)掩埋洞口,對(duì)隧道的正常使用造成嚴(yán)重的影響。在汶川地震中,洞口仰坡的破壞多以高位的崩塌、滑塌、落石為主,這類(lèi)震害多發(fā)生在由全強(qiáng)風(fēng)化的堅(jiān)硬巖體構(gòu)成的高陡斜坡隧道洞口,主要危害是部分或全部掩埋洞口,毀損洞門(mén)結(jié)構(gòu)和邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu),都汶高速上13 處洞口發(fā)生不同程度的此類(lèi)震害,其中龍溪隧道和龍洞子隧道破壞較嚴(yán)重。綜上所述,洞口仰坡是隧道洞口段抗震的薄弱區(qū)域,也是設(shè)防的重點(diǎn)區(qū)域。
(1)由于洞口臨空面的存在,隧道洞口處會(huì)出現(xiàn)加速度的放大效應(yīng),不同的仰坡角度下均符合這一特性,但隨著仰坡坡度的增加,這種放大效應(yīng)會(huì)逐漸減弱。
(2)襯砌結(jié)構(gòu)位移在洞口處也會(huì)有放大效應(yīng),這種放大效應(yīng)會(huì)隨著仰坡坡度的增加而減小,由此造成襯砌結(jié)構(gòu)間的運(yùn)動(dòng)非一致性,導(dǎo)致襯砌沿軸向彎曲,從而產(chǎn)生附加彎矩與剪力,還有可能發(fā)生襯砌的橫向、斜向和環(huán)向裂縫,且施工縫處的錯(cuò)臺(tái)破壞也與此有關(guān)。
(3)振動(dòng)過(guò)程中襯砌承受循環(huán)的拉壓荷載作用,兩側(cè)的拱肩和拱腳位置出現(xiàn)較大的地震附加彎矩,不同的仰坡坡度不會(huì)改變襯砌這種受力特性,而且附加彎矩會(huì)隨著覆土厚度的增加而增大,但當(dāng)仰坡坡度較小,覆土厚度也很淺時(shí),襯砌的附加彎矩反而會(huì)增大,與加速度放大,慣性力增大有關(guān)。襯砌的受力是覆土厚度與結(jié)構(gòu)慣性力2個(gè)因素共同影響的結(jié)果,僅以洞口段加速度放大范圍作為抗震設(shè)防長(zhǎng)度的主要指標(biāo)的做法不夠全面。
(4)隨著仰坡坡度的增加,在洞口處結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用逐漸減弱,仰坡坡面的破壞形式分別為:洞口的局部崩塌、襯砌頂部的大面積滑塌和坡頂?shù)母呶换?,均為淺層破壞,不會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)制位移使襯砌承受附加荷載,可坡面坍塌圍巖會(huì)不同程度的掩埋洞口,對(duì)隧道的正常使用造成嚴(yán)重的影響,洞口仰坡是隧道洞口段抗震設(shè)防的重點(diǎn)區(qū)域。
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