王祥秋, 張火軍, 謝文璽

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 交通與土木建筑學(xué)院， 廣東 佛山 528000)

高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力累積損傷模型試驗(yàn)研究

王祥秋, 張火軍, 謝文璽

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 交通與土木建筑學(xué)院， 廣東 佛山 528000)

為探討高速鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)在列車振動(dòng)荷載長(zhǎng)期作用下的動(dòng)力累積損傷特征，闡述混凝土結(jié)構(gòu)動(dòng)力相似材料模型試驗(yàn)原理，以武廣高速鐵路金沙洲隧道為原型，利用微?；炷磷鳛橄嗨撇牧?，構(gòu)建隧道與圍巖動(dòng)力相互作用全斷面試驗(yàn)?zāi)Ｐ停┘痈咚倭熊囌駝?dòng)荷載對(duì)相似材料模型進(jìn)行動(dòng)力累積損傷試驗(yàn)； 試驗(yàn)過(guò)程中同步測(cè)試隧道襯砌結(jié)構(gòu)各特征點(diǎn)動(dòng)應(yīng)變、超聲波速度以及隧道底部圍巖接觸應(yīng)力的時(shí)程響應(yīng)數(shù)據(jù)，分析隧道襯砌結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特征與累積損傷規(guī)律。得出了在設(shè)計(jì)使用壽命期內(nèi)，高速列車振動(dòng)荷載長(zhǎng)期作用下，隧道襯砌結(jié)構(gòu)動(dòng)力累積損傷效應(yīng)不明顯，而隧道底部圍巖累積損傷破壞則應(yīng)引起足夠重視等研究結(jié)論。

武廣高速鐵路； 金沙洲隧道； 微粒混凝土； 全斷面隧道模型； 動(dòng)力累積損傷

0 引言

從20世紀(jì)90年代末期開始，我國(guó)開始大力發(fā)展高速鐵路技術(shù)，目前高速鐵路通車?yán)锍桃约敖ㄔ焖骄幱谑澜珙I(lǐng)先地位。我國(guó)許多學(xué)者針對(duì)普通鐵路隧道以及地鐵隧道結(jié)構(gòu)在列車振動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性進(jìn)行了大量的研究工作，取得了豐富的研究成果，為確保普通鐵路與地鐵隧道的運(yùn)營(yíng)安全提供了重要依據(jù)；但針對(duì)普通鐵路與地鐵隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力累積損傷機(jī)制的研究尚未見報(bào)道。高速列車振動(dòng)特性與普通列車存在較大差異，高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)受力更復(fù)雜、技術(shù)要求更高。目前我國(guó)針對(duì)高速鐵路運(yùn)營(yíng)管理的經(jīng)驗(yàn)與水平尚有待提高，關(guān)于高速鐵路隧道動(dòng)力累積損傷以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性的研究才剛剛開始。國(guó)內(nèi)外關(guān)于高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力損傷特性的研究具有代表性的工作主要有：文獻(xiàn)[1-2]根據(jù)能量原理，推導(dǎo)隧道結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)下的能量反應(yīng)方程，并基于損傷能量方程對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性地震反應(yīng)分析；文獻(xiàn)[3]基于疲勞累積損傷理論，對(duì)列車荷載作用下隧道鋪底結(jié)構(gòu)疲勞壽命及其損傷度進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[4]基于有限元分析方法與室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)特性及疲勞壽命進(jìn)行了分析研究；文獻(xiàn)[5-13]基于模型試驗(yàn)與有限元分析對(duì)高速鐵路隧道底部圍巖動(dòng)力累積損傷特性進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[14-15]針對(duì)高速列車氣動(dòng)效應(yīng)對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)動(dòng)力損傷特性的影響進(jìn)行了初步研究。上述各項(xiàng)研究工作開創(chuàng)了隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力損傷研究的新領(lǐng)域，但關(guān)于高速列車長(zhǎng)期振動(dòng)荷載作用下隧道襯砌結(jié)構(gòu)動(dòng)力累積損傷機(jī)制與控制理論和方法的研究尚難以滿足高速鐵路健康發(fā)展與安全運(yùn)營(yíng)的需要。

為此，本文基于動(dòng)力相似材料模型分析原理，選擇適宜的相似材料，構(gòu)建隧道圍巖-仰拱-整體道床動(dòng)力相互作用相似材料模型，利用MTS動(dòng)力加載系統(tǒng)對(duì)模型施加高速列車振動(dòng)荷載，分析研究高速鐵路隧道動(dòng)力累積損傷模型，并采用RSM-SY6型智能聲波檢測(cè)儀同步監(jiān)測(cè)相似材料模型動(dòng)力損傷發(fā)展過(guò)程，以此分析研究高速鐵路隧道的動(dòng)力累積損傷特性。

1 隧道動(dòng)力相似材料模型

1.1 模型設(shè)計(jì)思路

本文以武廣高速鐵路金沙洲隧道為研究對(duì)象，縮尺模型試驗(yàn)均以該隧道斷面尺寸與圍巖條件為設(shè)計(jì)原型。根據(jù)動(dòng)力相似材料模型原理，動(dòng)力模型設(shè)計(jì)應(yīng)滿足物理、邊界、幾何、動(dòng)力平衡以及運(yùn)動(dòng)初始5個(gè)相似條件。在對(duì)實(shí)際模型設(shè)計(jì)時(shí)，要滿足全部相似條件困難很大?？紤]到本次試驗(yàn)主要研究隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力累積損傷問(wèn)題，研究對(duì)象處于靜力平衡狀態(tài)，高速列車運(yùn)行引起的振動(dòng)力起主要控制作用。為此，相似材料模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)遵循如下基本原則： 1)圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)幾何形狀滿足幾何相似比； 2)圍巖與結(jié)構(gòu)襯砌主要力學(xué)參數(shù)(彈性模量、應(yīng)力應(yīng)變、荷載)滿足相似比例關(guān)系； 3)不考慮重力影響。

1.2 模型參數(shù)確定

基于試驗(yàn)研究目的，綜合考慮試驗(yàn)設(shè)備與空間條件，首先確定試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拈L(zhǎng)度相似比Cl=8.0，彈性模量相似比CE=1.0，然后遵循上述模型設(shè)計(jì)思路，利用量綱分析方法確定高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力累積損傷試驗(yàn)?zāi)Ｐ推渌锢砹W(xué)參數(shù)相似比，如表1所示。

表1 模型相似比例關(guān)系

1.3 配筋設(shè)計(jì)

隧道襯砌結(jié)構(gòu)及軌道板模型配筋設(shè)計(jì)均以武廣高速鐵路金沙洲隧道實(shí)際配筋量為計(jì)算依據(jù)，根據(jù)鋼筋抗拉強(qiáng)度和混凝土抗壓強(qiáng)度相似比，基于強(qiáng)度等效原則確定模型的配筋用量，具體的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Aps、fpy為隧道襯砌結(jié)構(gòu)或軌道板原型配筋面積和抗拉強(qiáng)度；Apc、fpc為隧道襯砌結(jié)構(gòu)或軌道板原型混凝土截面面積和抗壓強(qiáng)度；Ams、fmy為隧道襯砌結(jié)構(gòu)或軌道板模型構(gòu)件配筋面積和抗拉強(qiáng)度；Amc、fmc為隧道襯砌結(jié)構(gòu)或軌道板模型構(gòu)件混凝土截面面積和抗壓強(qiáng)度。

本次試驗(yàn)采用渡鋅鐵絲作為隧道襯砌以及隧道板的配筋材料，通過(guò)對(duì)渡鋅鐵絲進(jìn)行拉伸試驗(yàn)測(cè)定鐵絲抗拉強(qiáng)度為75 MPa。依據(jù)武廣高速鐵路金沙洲隧道襯砌結(jié)構(gòu)實(shí)際配筋量，運(yùn)用式(1)計(jì)算確定模型隧道配筋量為橫向鋼筋φ10@200、縱向鋼筋φ12@250、箍筋φ8@250。軌道板配筋量則根據(jù)高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算確定，其中軌道板縱向配筋為φ4@40、橫向配筋為φ4@30。

1.4 隧道模型制作

為了確保隧道襯砌結(jié)構(gòu)混凝土骨料滿足幾何相似比要求，考慮到微粒混凝土同樣由水泥、水和人工配制的連續(xù)骨料按適當(dāng)比例拌制而成，其力學(xué)性態(tài)與普通混凝土材料也非常相似，采用了微粒混凝土作為隧道模型的相似材料。微粒混凝土采用中細(xì)砂作為原材料，經(jīng)過(guò)篩分處理，取其中粒徑為2.5～5.0 mm的中等顆粒作為粗骨料(其體積占骨料總體積的60%)，粒徑小于1.25 mm的細(xì)小顆粒作為細(xì)骨料(其體積占骨料總體積的40%)，粗骨料與細(xì)骨料的體積比為3∶2。經(jīng)過(guò)配比試驗(yàn)確定模型隧道襯砌結(jié)構(gòu)微?；炷僚浜媳葹樗盟唷眉?xì)骨料∶粗骨料=0.5∶1∶1.25∶1.875，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，其軸心抗壓強(qiáng)度為16.7 MPa,彈性模量為3.15×104MPa。隧道底部圍巖則以武廣高速鐵路金沙洲隧道某典型斷面隧道底部強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為原型，用適量配比的水泥土作為相似材料模擬隧道底部圍巖，圍巖容重為21.5 kN/m3,水泥土相似材料力學(xué)參數(shù)變形模量為395 MPa，單軸抗壓強(qiáng)度為 3.9 MPa，內(nèi)摩擦角為45.1°，黏聚力為350 kPa,相當(dāng)于隧道圍巖分類等級(jí)中的Ⅲ級(jí)圍巖。

基于上述各項(xiàng)隧道襯砌、軌道板以及隧道圍巖模型試驗(yàn)參數(shù)，在室內(nèi)制作了高速鐵路隧道動(dòng)力損傷力學(xué)試驗(yàn)的相似材料模型(如圖1所示)。隧道斷面形狀為曲墻拱形，截面最大高度為1.34 m，最大寬度為1.20 m，襯砌厚度為0.1 m。軌道板平面尺寸為500 mm×800 mm，厚度為50 mm。當(dāng)隧道襯砌與軌道板模型達(dá)到28 d齡期后，預(yù)先澆注好模型箱底部水泥土相似材料圍巖(厚0.25 m),在水泥土相似材料達(dá)到一定強(qiáng)度尚未完全固化之前，將隧道襯砌模型吊裝到巖土模型箱內(nèi)(箱體尺寸長(zhǎng)4 m、寬1 m、高2 m)，以確保底部圍巖與隧道襯砌之間接觸良好。隧道模型側(cè)壁及上部空間用水泥砂充填密實(shí)，充填水泥砂之前，在巖土模型箱四周側(cè)壁固定10 cm厚EPE泡沫板，利用泡沫板所具有的黏彈性性能，模擬隧道與圍巖之間的黏彈性動(dòng)力邊界條件。

(a) 隧道襯砌結(jié)構(gòu)模型

(b) 隧道整體試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

1.5 傳感器布設(shè)

為了全面采集高速鐵路隧道模型動(dòng)力損傷試驗(yàn)過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)試驗(yàn)要求共布設(shè)了動(dòng)應(yīng)變(YB1-4)、土壓力(TY1-3)以及超聲波(SC1-4)3種監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中： 1)動(dòng)應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)于隧道端部與中部3個(gè)斷面，每個(gè)斷面分別在仰拱、拱腳、側(cè)墻以及拱頂布設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用KFG通用箔式應(yīng)變片，敏感柵長(zhǎng)度為20 mm,溫度補(bǔ)償系數(shù)為5 με/℃。2)土壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于隧道襯砌底部圍巖之中，沿隧道底部環(huán)向共計(jì)布設(shè)3個(gè)土壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用XHX410型土壓力盒，量程為1.0 MPa,分辨率≤0.05%F·S。3)超聲波監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置于隧道端部2個(gè)斷面，具體位置與動(dòng)應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，分別位于隧道襯砌結(jié)構(gòu)仰拱(1#)、拱腳(2#)、側(cè)墻(3#)與拱頂部位(4#)，共計(jì)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用ZBL-U520型非金屬超聲波檢測(cè)儀同步監(jiān)測(cè)隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力累積損傷全過(guò)程。隧道襯砌測(cè)點(diǎn)位置及各類傳感器具體布設(shè)方案如圖2所示。

(a) 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖

(b) 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)實(shí)物圖

2 動(dòng)力損傷試驗(yàn)

2.1 加載參數(shù)確定

2.1.1 加載峰值確定

根據(jù)高速列車運(yùn)行荷載時(shí)程特征,結(jié)合MTS靜動(dòng)力加載系統(tǒng)可提供的加載時(shí)程模式,確定采用正弦函數(shù)加載模式，試驗(yàn)加載峰值根據(jù)國(guó)產(chǎn)CRH380A型高速列車設(shè)計(jì)參數(shù)，由列車軸重與荷載相似比按下式計(jì)算確定：

Fm=Fp/cF。

(2)

式中：Fm為試驗(yàn)荷載峰值，kN；Fp為高速列車軸重，kN；cF為荷載相似比。

國(guó)產(chǎn)高速列車軸重一般小于200 kN，軌道板等線路底部結(jié)構(gòu)以能承受300 kN設(shè)計(jì)動(dòng)力軸重考慮，故本次試驗(yàn)取高速列車動(dòng)力軸重荷載為300 kN，由此可得動(dòng)力荷載加載峰值為4.75 kN。

2.1.2 加載頻率確定

本次模型試驗(yàn)采用8節(jié)列車車輛編組方式，根據(jù)國(guó)產(chǎn)CRH380A型高速列車設(shè)計(jì)參數(shù)，其輪對(duì)間距(軸距)為25.5 m。模型試驗(yàn)加荷頻率主要根據(jù)列車運(yùn)行速度、列車輪對(duì)間距(軸距)以及荷載頻率相似比計(jì)算確定，具體計(jì)算公式為

f=v/(cwl)。

(3)

式中：f為加載頻率，Hz；l為列車車輛軸距，m；v為高速列車行車速度,m/s。

按列車運(yùn)行速度為200 km/h，計(jì)算可得加載頻率為17.36 Hz。

2.1.3 加載方式

試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)MTS液壓伺服加載系統(tǒng)對(duì)隧道模型施加正弦波激勵(lì)荷載，荷載振幅為4.75 kN，角頻率ω=109.0 rad/s。為了模擬列車輪軌間的相互作用，在隧道模型底部仰拱部位鋪設(shè)了整體道床結(jié)構(gòu)，并在軌道板上安放了2條小鋼軌。隧道模型制作時(shí)，在隧道頂部預(yù)留直徑為75 mm的孔洞，并專門設(shè)計(jì)加工了一套荷載轉(zhuǎn)換裝置，通過(guò)隧道頂部預(yù)留孔洞，利用荷載轉(zhuǎn)換裝置與剛性分配梁將MTS激勵(lì)荷載對(duì)稱分配到2條小鋼軌上，由此模擬列車運(yùn)行時(shí)輪對(duì)在軌道上的沖擊作用。由于小鋼軌的截面抗彎剛度與隧道襯砌結(jié)構(gòu)以及線路底部結(jié)構(gòu)總剛度相比很小，故小鋼軌可視為剛性地基上的柔性梁，MTS激勵(lì)荷載經(jīng)過(guò)剛性分配梁均分到小鋼軌上的荷載可近似視為集中激勵(lì)荷載。

2.2 數(shù)據(jù)采集

因試驗(yàn)布設(shè)的測(cè)點(diǎn)種類和數(shù)量多，需要采集的數(shù)據(jù)量大，故試驗(yàn)過(guò)程中由TMR動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)試分析系統(tǒng)采集土壓力信號(hào)，DH5922N型動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)采集動(dòng)應(yīng)變信號(hào)，采樣頻率設(shè)定為200 Hz。由智博聯(lián)非金屬混凝土損傷測(cè)試儀同步采集隧道襯砌結(jié)構(gòu)超聲波速信息，試驗(yàn)過(guò)程如圖3所示。

(a) 試驗(yàn)加載控制系統(tǒng)

(b) 超聲波測(cè)試

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 隧道襯砌結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)變特性

通過(guò)對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)各測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得各特征點(diǎn)動(dòng)應(yīng)變幅值的變化規(guī)律如圖4和圖5所示?？梢钥闯?，高速列車在振動(dòng)荷載作用下，隧道襯砌結(jié)構(gòu)不同部位表現(xiàn)出不一樣的振動(dòng)響應(yīng)特征。

隧道中部斷面(位于隧道軸線方向中心點(diǎn)處，至隧道兩端的距離均為0.5 m)，沿隧道軸線方向的動(dòng)應(yīng)變(即軸向應(yīng)變)在仰拱、拱腳以及拱頂表現(xiàn)為拉應(yīng)變，且三者呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，即在累積振動(dòng)次數(shù)少于20萬(wàn)次時(shí)，動(dòng)應(yīng)變幅值隨累積振動(dòng)次數(shù)呈線性增大關(guān)系，隨累積振動(dòng)次數(shù)的增加動(dòng)應(yīng)變幅值逐步趨于穩(wěn)定。不同部位動(dòng)應(yīng)變最大幅值卻不一樣，拱頂處軸向拉應(yīng)變最大值為11.45×10-6，拱腳處軸向拉應(yīng)變最大值為7.26×10-6，仰拱處軸向拉應(yīng)變最大值為4.83×10-6；側(cè)墻部位則表現(xiàn)為壓應(yīng)變，其軸向壓應(yīng)變最大值為14.98×10-6。隧道中部斷面沿隧道襯砌結(jié)構(gòu)環(huán)向方向的動(dòng)應(yīng)變(即環(huán)向應(yīng)變)則表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，即在拱腳、側(cè)墻以及拱頂部位表現(xiàn)為壓應(yīng)變，其中： 拱腳處環(huán)向壓應(yīng)變最大值為5.81×10-6，側(cè)墻處環(huán)向壓應(yīng)變最大值為11.63×10-6，拱頂處環(huán)向壓應(yīng)變最大值為11.95×10-6；而在仰拱部位則表現(xiàn)為拉伸效應(yīng)，仰拱處環(huán)向拉應(yīng)變最大值為17.60×10-6。

(a) 隧道襯砌軸向動(dòng)應(yīng)變幅值

(b) 隧道襯砌環(huán)向動(dòng)應(yīng)變幅值

(a) 隧道襯砌環(huán)向動(dòng)應(yīng)變幅值

(b) 隧道襯砌軸向動(dòng)應(yīng)變幅值

Fig. 5 Variation curves of dynamic stress at ends of tunnel section

對(duì)于隧道端部斷面(即位于隧道模型兩端進(jìn)出口處的斷面)，由于邊界約束條件改變，在高速列車振動(dòng)荷載作用下，隧道襯砌結(jié)構(gòu)各特征點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)變發(fā)展規(guī)律與隧道中部斷面存在明顯差異。隧道端部環(huán)向應(yīng)變?cè)诠澳_以及側(cè)墻部位表現(xiàn)為壓應(yīng)變，而在仰拱部位則表現(xiàn)為拉應(yīng)變，各部位的動(dòng)應(yīng)變幅值均隨累積振動(dòng)次數(shù)的增加而不斷增大，當(dāng)累積振動(dòng)次數(shù)達(dá)到800萬(wàn)次以上時(shí)，應(yīng)變幅值基本趨于穩(wěn)定，其中： 仰拱處最大環(huán)向拉應(yīng)變值為27.62×10-6，拱腳處最大環(huán)向壓應(yīng)變值為13.50×10-6，側(cè)墻處最大環(huán)向壓應(yīng)變值為7.60×10-6。隧道端部軸向應(yīng)變?cè)谘龉?、拱腳以及側(cè)墻部位均表現(xiàn)為拉應(yīng)變，且各部位拉應(yīng)變幅值均隨累積振動(dòng)次數(shù)的增大而不斷增加，存在明顯的動(dòng)力累積損傷效應(yīng)，當(dāng)累積振動(dòng)次數(shù)達(dá)到800萬(wàn)次以上時(shí)，拉應(yīng)變幅值趨于穩(wěn)定，其中： 仰拱處最大軸向拉應(yīng)變值為13.98×10-6，拱腳與側(cè)墻處最大軸向拉應(yīng)變值均為 5.2×10-6。由此可見，高速列車在振動(dòng)荷載作用下，隧道端部仰拱部位軸向與環(huán)向均產(chǎn)生了明顯拉伸效應(yīng)，最容易產(chǎn)生動(dòng)力累積損傷破壞。

與此同時(shí)，由圖4和圖5可知，各特征點(diǎn)的動(dòng)力變幅值隨累積振動(dòng)次數(shù)呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，即在振動(dòng)初期，動(dòng)應(yīng)變幅值隨累積振次的增大而不斷增加，當(dāng)累積振次超過(guò)800萬(wàn)次以上，動(dòng)應(yīng)變幅值逐步趨于穩(wěn)定，表明隧道襯砌結(jié)構(gòu)的累積損傷增量逐步降低。

3.2 隧道襯砌結(jié)構(gòu)超聲波特性分析

為了同步監(jiān)測(cè)隧道襯砌結(jié)構(gòu)在動(dòng)力加載試驗(yàn)過(guò)程中的累積損傷情況，在隧道襯砌端部沿環(huán)向分別于仰拱、拱腳、側(cè)墻以及拱頂埋設(shè)了4對(duì)超聲波速監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)各特征點(diǎn)超聲波波速進(jìn)行同步測(cè)試。各特征點(diǎn)超聲波波速隨累積振動(dòng)次數(shù)的衰減規(guī)律如圖6所示?；趶椥越橘|(zhì)超聲波變化速率與其損傷程度的相關(guān)關(guān)系，可知仰拱、拱腳、側(cè)墻以及拱頂部位襯砌結(jié)構(gòu)的累積損傷呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律；但隧道仰拱、拱腳的累積損傷程度相比側(cè)墻與拱頂部位較大，說(shuō)明理論分析與工程實(shí)際現(xiàn)象相吻合。

圖6 隧道襯砌超聲波波速變化規(guī)律

3.3 隧道襯砌結(jié)構(gòu)累積損傷特性分析

根據(jù)彈性介質(zhì)損傷理論，當(dāng)混凝土產(chǎn)生損傷時(shí)其超聲波波速改變與混凝土損傷參量D存在如下關(guān)系，即：

(4)

由試驗(yàn)可知，混凝土未損傷時(shí)的超聲波波速為4.12 km/s，根據(jù)不同累積振次荷載作用下隧道襯砌結(jié)構(gòu)超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)，利用式(4)計(jì)算可得各特征點(diǎn)損傷參量,采用指數(shù)函數(shù)擬合可得隧道襯砌結(jié)構(gòu)累積損傷隨累積振動(dòng)次數(shù)的發(fā)展規(guī)律，如圖7所示?？梢钥闯?，隧道襯砌結(jié)構(gòu)各特征點(diǎn)動(dòng)力累積損傷發(fā)展規(guī)律基本一致。

(a) SC-1仰拱

(b) SC-2拱腳

(c) SC-3側(cè)墻

(d) SC-4拱頂

Fig. 7 Developing curve of cumulative damage of tunnel lining structure

3.4 隧道與圍巖接觸應(yīng)力分析

為分析研究隧道襯砌結(jié)構(gòu)與底部圍巖之間的動(dòng)力相互作用特性，本次試驗(yàn)在隧道底部圍巖內(nèi)布設(shè)了3個(gè)土壓力盒，用以同步監(jiān)測(cè)動(dòng)力加載過(guò)程土壓力變化情況，由土壓力測(cè)試數(shù)據(jù)分析可得各測(cè)點(diǎn)土壓力峰值隨累積振次的變化規(guī)律，如圖8所示。

圖8 隧道與圍巖接觸壓力變化規(guī)律

Fig. 8 Variation rule of contact stress between tunnel and surrounding rock

由圖8可知，隧道底部圍巖內(nèi)各測(cè)點(diǎn)動(dòng)土壓力峰值基本保持不變，各測(cè)點(diǎn)動(dòng)土壓力峰值主要取決于該點(diǎn)動(dòng)力加載前的靜止土壓力值。隧道襯砌結(jié)構(gòu)動(dòng)力受荷過(guò)程中，仰拱中心點(diǎn)以下的隧道底部動(dòng)土壓力峰值最大，向兩側(cè)隧道底部動(dòng)土壓力逐步減小。與此同時(shí)，在試驗(yàn)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)，盡管隧道圍巖應(yīng)力幅值基本保持不變，但在隧道與圍巖接觸面處的圍巖卻發(fā)生了破壞(如圖9所示)，裂紋寬度為1.2～2.1 mm，長(zhǎng)度為0.35 m，屬于張拉裂紋，這可能與隧道和圍巖接觸面處產(chǎn)生了周期性拉壓應(yīng)力，導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生拉伸破壞有關(guān)。這種現(xiàn)象表明，高速鐵路隧道在列車振動(dòng)荷載作用下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性與隧道底部圍巖的累積損傷與破壞密切相關(guān)，在隧道設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中應(yīng)給予高度重視。

圖9 隧道底部圍巖接觸面損傷裂紋

Fig. 9 Damage cracks at contacting surface between tunnel and surrounding rock under tunnel

4 結(jié)論與討論

1)基于混凝土動(dòng)力相似材料模型原理，以微?；炷磷鳛橄嗨撇牧蠘?gòu)建高速鐵路隧道全斷面大型縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，可真?shí)有效地模擬高速鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)全斷面力學(xué)性態(tài)以及隧道與圍巖動(dòng)力相互作用特性。

2)高速列車振動(dòng)荷載引起隧道接觸面處圍巖的動(dòng)力累積損傷相對(duì)于隧道襯砌結(jié)構(gòu)本身更加顯著，在分析高速鐵路隧道長(zhǎng)期動(dòng)力穩(wěn)定性時(shí)，不能忽視隧道底部圍巖動(dòng)力累積損傷特性。

3)高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力累積損傷特性在不同部位和不同斷面處存在較大差異，隧道仰拱和拱腳處的動(dòng)力損傷相對(duì)于側(cè)墻與拱頂處更加明顯，隧道端部動(dòng)力累積損傷相對(duì)于中間部位更加顯著。

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Experimental Study of Dynamic Cumulative Damage Model for High-speed Railway Tunnel

WANG Xiangqiu, ZHANG Huojun, XIE Wenxi

(SchoolofTransportationandCivilEngineering&Architecture,FoshanUniversity,Foshan528000,Guangdong,China)

The characteristics of dynamic cumulative damage of lining structure of high-speed railway tunnel under the long-term vibration load of train and the dynamic similar material model test for concrete structure should be well known. A full-face tunnel test model for the dynamic interaction between Jinshazhou Tunnel on Wuhan-Guangzhou High-speed Railway and surrounding rocks is established by using microconcrete as similar material; and then the vibration load of high-speed train is brought to bear on the model to carry out dynamic cumulative damage test; meanwhile, the characteristics of dynamic response and the cumulative damage law of tunnel lining structure are analyzed by collected data of dynamic strain of tunnel lining structure, velocity of ultrasonic and contact stress of surrounding rock under tunnel during test. The results show that under the long-term action of vibration load of high-speed train, the dynamic cumulative damage of tunnel lining structure is not obvious while that of surrounding rock under tunnel is obvious.

Wuhan-Guangzhou High-speed Railway; Jinshazhou Tunnel; microconcrete; full-face tunnel model; dynamic cumulative damage

2017-03-10;

2017-05-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278121); 廣東省教育廳重大特色創(chuàng)新資助項(xiàng)目(2014KTSCX155)

王祥秋(1968—)，男，湖南衡陽(yáng)人，2004年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)，結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，博士，教授，主要從事巖土與地下結(jié)構(gòu)工程的教學(xué)與科研工作。E-mail： tongji_wxq@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.08.004

U 45

A

1672-741X(2017)08-0939-07