王飛飛, 牛家永, 王學(xué)義, 包嘉邈

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基于不同上覆巖層的淺埋隧道動(dòng)力響應(yīng)特性研究

王飛飛, 牛家永, 王學(xué)義, 包嘉邈

(中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院, 湖南長(zhǎng)沙, 410004; 中南林業(yè)科技大學(xué)巖土工程研究所, 湖南長(zhǎng)沙, 410004)

利用Midas NX有限元數(shù)值模擬軟件對(duì)淺埋隧道數(shù)值模型進(jìn)行非線性時(shí)程分析, 研究了在不同上覆巖層的情況下, 巖層類型和地震波激振峰值對(duì)淺埋隧道加速度動(dòng)力響應(yīng)的影響。結(jié)果表明: 在Ⅰ～Ⅴ類上覆巖層狀況下, 襯砌上各測(cè)點(diǎn)的放大系數(shù)大于1; 不同上覆巖層對(duì)襯砌加速度動(dòng)力響應(yīng)均有放大效應(yīng); 圍巖條件越好, 隧道抗震性能越強(qiáng)。在Ⅰ～Ⅲ類上覆巖層條件下, 地震波激振峰值對(duì)隧道動(dòng)力響應(yīng)的影響比在Ⅳ及Ⅴ類上覆巖層條件下要大。

隧道工程; 數(shù)值模擬; 上覆巖層; 加速度響應(yīng)

淺埋隧道的上覆巖層的物理力學(xué)性質(zhì)在一些非正常因素作用下易發(fā)生變化, 隧道的抗震性能同樣也會(huì)受到很大的影響[1]。因此, 在不同上覆巖層作用下淺埋隧道的地震反應(yīng)特性、失效機(jī)制與穩(wěn)定性是亟待解決的問題。李林等[2]通過數(shù)值模擬和大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)對(duì)淺埋隧道在不同圍巖類型條件下的地震響應(yīng)特性進(jìn)行了研究, 結(jié)果表明隧道圍巖類型對(duì)隧道地震響應(yīng)特性有明顯的影響, 圍巖越好, 其抗震性越好; 圍巖越差, 加速度放大效應(yīng)越明顯。何川等[3]通過振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算對(duì)跨斷層破碎帶隧道的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究, 得出隧道斷層帶圍巖有較大的加速度響應(yīng)特性。王帥帥等[4]為研究地震作用下含軟弱夾層隧道洞口仰坡的動(dòng)力響應(yīng)特性, 開展了隧道洞口含軟弱夾層仰坡振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究。丁祖德等[5]采用動(dòng)力有限元法, 建立了隧道—圍巖相互作用的計(jì)算模型, 分析不同列車運(yùn)行速度和不同隧道底部結(jié)構(gòu)形式下的高速鐵路隧道基底軟巖的動(dòng)力響應(yīng)特征。王祥秋等[6]基于小波變換的隧道洞口段三維動(dòng)力有限元分析的時(shí)域分析法, 建立了相應(yīng)的有限元分析模型, 對(duì)提速列車震動(dòng)荷載作用下不同圍巖條件隧道洞口段動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析研究。從目前的研究現(xiàn)狀可知學(xué)者們對(duì)于隧道圍巖都是作為同類巖石等級(jí)來進(jìn)行研究的, 而在圍巖進(jìn)行分層的情況下研究隧道動(dòng)力響應(yīng)特性卻鮮有報(bào)道。本文利用Midas NX有限元數(shù)值模擬軟件, 建立隧道模型并對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析和非線性時(shí)程分析, 研究基于不同上覆巖層的淺埋隧道動(dòng)力響應(yīng)特性。研究成果促進(jìn)了對(duì)淺埋隧道在地震作用下動(dòng)力響應(yīng)特性的認(rèn)識(shí), 并為此類隧道的抗減震設(shè)計(jì)及修建提供有益參考。

1 建立數(shù)值模型

1.1 選取參數(shù)

根據(jù)研究目的與相應(yīng)規(guī)范[7], 選取各類圍巖及襯砌混凝土物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 隧道圍巖及襯砌材料物理力學(xué)參數(shù)

在彈性均質(zhì)無限區(qū)域內(nèi)開挖隧道時(shí), 因荷載得到釋放, 使得隧道周圍的介質(zhì)應(yīng)力與位移場(chǎng)發(fā)生改變。為使建立的數(shù)值模型更加符合實(shí)際情況, 故取模型尺寸為100 m × 50 m × 50 m(長(zhǎng)×寬×高)。根據(jù)規(guī)范[7]取隧道凈寬12 m, 凈高10 m, 隧道埋深24 m。隧道軸線距模型左右邊界均為50 m, 距底邊界16 m。為符合淺埋隧道實(shí)際情況, 模型分為2層, 上覆巖層厚度22 m, 用5個(gè)類別的圍巖依次模擬, 下層隧道圍巖為Ⅲ類圍巖。在特定的材料介質(zhì)與輸入地震動(dòng)頻率的情況下, 模型計(jì)算精度隨單元尺寸增大而出現(xiàn)失真。由文獻(xiàn)[8]可知, 為了準(zhǔn)確模擬波的傳播, 空間單元尺寸必須不大于1/10～1/8輸入波的最高頻率部分所確定的波長(zhǎng)。模型劃分節(jié)點(diǎn)總數(shù)有7 331個(gè), 單元總數(shù)有40 433個(gè), 假設(shè)模型為各向同性均質(zhì)理想的線彈塑性巖土體, 并采用莫爾-庫(kù)倫為此模型的計(jì)算模型(圖1)。

圖1 計(jì)算模型(單位: m)

1.2 數(shù)值模型邊界條件

地震波在傳播的過程中遇到廣義結(jié)構(gòu)物或巖體結(jié)構(gòu)面會(huì)發(fā)生透射與折射現(xiàn)象, 且與入射波相互干涉形成復(fù)雜的波場(chǎng)。模擬地震波在介質(zhì)中傳播時(shí), 須要考慮無限域的動(dòng)力影響作用。對(duì)于地下結(jié)構(gòu)物, 若直接采用固定邊界并輸入地震波則會(huì)造成計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生巨大的誤差, 故要引入人工邊界。此種人工邊界不會(huì)對(duì)外行地震波造成影響, 也不會(huì)將能量限制在有限的離散區(qū)域內(nèi), 因此能夠得到更加精確的結(jié)果。為了避免散射波在人工邊界上產(chǎn)生反射, 較好地模擬介質(zhì)的彈性恢復(fù)性能, 分析時(shí)采用Deeks[9]和劉晶波等[10]提出的黏彈性人工邊界條件。黏彈性邊界能夠模擬人工邊界半無限介質(zhì)的彈性恢復(fù)性能, 且具有良好的穩(wěn)定性和較高的精度。計(jì)算模型采用黏彈性邊界和自由場(chǎng)邊界。

1.3 選取地震波及測(cè)點(diǎn)

選取EL-Centro波作為加載地震波, 經(jīng)過調(diào)整后加速度峰值分別為0.1g、0.2g與0.4g, 并逐級(jí)加載, 持續(xù)時(shí)間為15 s, 地震波沿水平向(向)且垂直于隧道縱向進(jìn)行加載。地震波加速度時(shí)程曲線及傅里葉譜如圖2所示。

根據(jù)數(shù)值模擬的條件和模擬的目的, 在襯砌1—左拱腳、2—左拱肩、3—拱頂、4—右拱肩、5—右拱腳的關(guān)鍵位置選取5個(gè)測(cè)點(diǎn), 襯砌上測(cè)點(diǎn)的布置如圖3所示。

圖3 襯砌測(cè)點(diǎn)布置

1.4 數(shù)值計(jì)算工況

為了探討并研究不同上覆巖層物理力學(xué)參數(shù)和地震波加速度峰值對(duì)淺埋隧道動(dòng)力響應(yīng)的影響, 設(shè)計(jì)了15個(gè)計(jì)算工況。工況1～5, 采用加速度為0.1g的地震波進(jìn)行加載; 工況6～10, 采用加速度為0.2g的地震波進(jìn)行加載; 工況11～15, 采用加速度為0.4g的地震波進(jìn)行加載。工況1、6、11, 工況2、7、12, 工況3、8及13, 工況4、9及14, 工況5、10及15, 上覆巖層分別采用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

采用加速度放大系數(shù)描述淺埋隧道加速度響應(yīng)特性。定義向的加速度放大系數(shù)為測(cè)點(diǎn)加速度響應(yīng)峰值與加載地震波峰值的比值。襯砌上每個(gè)測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)峰值如表2所示。本文僅給出在Ⅲ類上覆巖層狀況下加速度為0.4g拱頂測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)時(shí)程曲線(圖4)。

圖4 加速度時(shí)程曲線

表2 測(cè)點(diǎn)加速度響應(yīng)峰值

2.1 上覆巖層類型對(duì)襯砌動(dòng)力響應(yīng)的影響

在不同上覆巖層類型的情況下, 襯砌上各個(gè)測(cè)點(diǎn)的加速度放大系數(shù)變化趨勢(shì)如圖5所示。由圖5可知, 在激振波峰值為0.1g、0.2g與0.4g的工況下, 襯砌上各測(cè)點(diǎn)的放大系數(shù)均大于1。Ⅴ類上覆巖層狀況下, 在襯砌拱腳處的加速度放大系數(shù)小于1, 其余各測(cè)點(diǎn)也均大于1。因此, 不同上覆巖層對(duì)襯砌加速度動(dòng)力響應(yīng)有放大效應(yīng), 且Ⅱ類上覆巖層放大效應(yīng)最明顯。Ⅴ類上覆巖層影響最小。在Ⅰ～Ⅲ類上覆巖層狀況下, 襯砌的加速度放大系數(shù)變化趨勢(shì)不是太劇烈, 而Ⅳ與Ⅴ類上覆巖層狀況下, 變化趨勢(shì)劇烈, 總體呈現(xiàn)先增加再減小的趨勢(shì), 在拱頂處加速度放大系數(shù)達(dá)到最大。其原因是在圍巖條件較好的情況下, 巖體強(qiáng)度較高, 強(qiáng)震對(duì)圍巖的破壞作用較小, 因此襯砌各個(gè)測(cè)點(diǎn)處的加速度響應(yīng)較大。而圍巖條件較差時(shí), 地震對(duì)圍巖的破壞作用較大, 圍巖起到了吸振的作用, 因此襯砌測(cè)點(diǎn)處加速度響應(yīng)較小, 但圍巖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的約束力較小, 隧道襯砌易在地震中破壞。由此可知, 圍巖條件越好, 隧道抗震性能越好。在軟弱圍巖中修建隧道, 可考慮對(duì)軟弱圍巖進(jìn)行注漿、錨桿加固等措施提高圍巖的強(qiáng)度, 增強(qiáng)隧道的抗震性能。

圖5 圍巖類型對(duì)加速度放大系數(shù)的影響

2.2 加載波峰值對(duì)襯砌動(dòng)力響應(yīng)的影響

為探討不同上覆巖層類型對(duì)襯砌動(dòng)力響應(yīng)的影響, 采用不同的加速度峰值進(jìn)行數(shù)值模擬, 在不同加速度峰值狀況下, 得到了襯砌上各個(gè)測(cè)點(diǎn)的加速度放大系數(shù)變化趨勢(shì)(圖6)。

圖6 加速度峰值對(duì)加速度放大系數(shù)的影響

在Ⅰ～Ⅲ類上覆巖層的狀況下, 0.2g的加速度峰值對(duì)襯砌加速度放大系數(shù)的影響作用最大, 0.1g次之, 0.4g最小。在Ⅳ與Ⅴ類上覆巖層狀況下, 0.1g、0.2g和0.4g三個(gè)工況下, 各個(gè)測(cè)點(diǎn)的加速度放大系數(shù)較為接近, 圖形整體呈現(xiàn)倒“Ⅴ”形的變化趨勢(shì)。加速度峰值對(duì)襯砌加速度放大系數(shù)影響較小, 加速度峰值的大小不是影響隧道動(dòng)力響應(yīng)大小的主要原因。

3 結(jié)論

使用Midas NX有限元數(shù)值模擬軟件, 建立淺埋隧道數(shù)值模型并對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析和非線性時(shí)程分析, 得到如下結(jié)論:

(1) 在Ⅰ～Ⅴ類上覆巖層狀況下, 襯砌上各測(cè)點(diǎn)的放大系數(shù)均大于1。不同上覆巖層對(duì)襯砌加速度動(dòng)力響應(yīng)均有放大效應(yīng), 且Ⅱ類上覆巖層最明顯。在Ⅰ～Ⅲ類上覆巖層狀況下, 襯砌的加速度放大系數(shù)變化趨勢(shì)不是太劇烈, 而Ⅳ與Ⅴ類上覆巖層狀況下, 變化趨勢(shì)劇烈?？傻玫剿淼赖卣痦憫?yīng)特性受到圍巖類型的影響, 圍巖條件越好, 隧道抗震性能越好。

(2) 在Ⅰ～Ⅲ類上覆巖層的狀況下, 0.2g的加速度峰值對(duì)襯砌加速度放大系數(shù)的影響作用最大。在Ⅳ與Ⅴ類上覆巖層狀況下, 各個(gè)測(cè)點(diǎn)的加速度放大系數(shù)較為接近, 加速度峰值的大小不是影響隧道動(dòng)力響應(yīng)大小的主要原因。

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(責(zé)任編校:劉剛毅)

Dynamic response characteristics study of shallow buried tunnel based on different overlying rock

Wang Feifei, Niu Jiayong, Wang Xueyi, Bao Jiamiao

(School of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry and Technology, Changsha, 410004, China; Institute of Geotechnical Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China)

The Midas NX finite element numerical simulation software is used to simulate the nonlinear time history analysis of numerical model of shallow buried tunnel. Under the condition of different overlying rock, the influence of type of overlying rock and peak value of seismic wave on acceleration response of shallow buried tunnel is studied. Results show that under the condition of Ⅰto Ⅴ range of overlying rock, the acceleration amplification factor of lining is larger than the 1. The acceleration dynamic response of the lining is enlarged with different overlying rock. The better the condition of surrounding rock, the better the seismic performance of the tunnel. Under the condition of Ⅰto Ⅲ range of overlying rock, influence of excitation peak on dynamic response of the tunnel is larger than the condition of Ⅳ and Ⅴ range of overlying rock.

tunneling engineering; numerical simulation; overlying rock; acceleration dynamic response

10.3969/j.issn.1672–6146.2016.04.012

U 45

1672–6146(2016)04–0049–05

王飛飛, 1942016362@qq.com。

2016–03–15