李 欣, 張志強
(西南交通大學, 四川成都 610031)
[定稿日期]2017-08-29
近年來,我國寒區(qū)隧道建設增加,與一般地區(qū)相比,寒區(qū)隧道工程要解決多項復雜的技術性問題,其中最主要問題是寒區(qū)隧道凍脹作用、季節(jié)性凍融影響[1]。近年來有不少學者對寒區(qū)隧道進行了深入的研究,并取得了大量研究成果。張德華等[2]給出計算隧道凍脹力的彈性和黏彈性解析計算方法。王建宇等[3]推導了局部積水凍脹模型下隧道的凍脹力。夏才初等[4]推導了巖體凍脹率計算公式。
現(xiàn)有研究給出了凍脹力和凍脹率的計算方法以及凍脹力的分布規(guī)律,并未得到襯砌厚度、凍脹圈厚度、凍脹率對隧道襯砌凍脹力的影響規(guī)律。本文通過有限元軟件ANSYS對矮拉山隧道斷面進行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析,得到襯砌厚度、凍脹圈厚度、凍脹率對隧道襯砌凍脹力的影響規(guī)律以及凍脹力作用下隧道襯砌最不利部位,為以后的隧道設計提供理論及經(jīng)驗數(shù)據(jù)。
矮拉山隧道位于西藏江達縣崗托鎮(zhèn)國道317線上,為單線雙洞隧道,隧址海拔3 970 m。隧道起點K1002+300,終點K1008+088,全長約5.788 km。隧道出入口屬淺埋段,洞頂圍巖屬Ⅴ級圍巖。
隧道地區(qū)最高氣溫33.4 ℃,最低氣溫-20.7 ℃,凍結(jié)時間為當年12月至次年2月。一般凍土深度0.85 m,最大凍土深度為1.2 m,凍結(jié)時間為當年11月中旬至次年3月。
寒區(qū)隧道的凍害是溫度、重力等多場耦合作用的結(jié)果。本文計算對問題進行簡化,以便求解隧道凍脹力,做出如下假設:假設隧道處于無限大的土體中,且形狀為圓形;隧道圍巖為二相介質(zhì)且為連續(xù)各向均質(zhì)同性介質(zhì);假設凍結(jié)圍巖封閉飽水的彈性介質(zhì);不考慮襯砌、圍巖自重。彈性力學模型[5]見圖1。
Δh1=απ[(b+c)2-b2]
(1)
(2)
式中:Δh1為凍結(jié)區(qū)圍巖總膨脹量;Δh2為凍結(jié)區(qū)圍巖外壁膨脹量;α為圍巖凍脹率。
圖1 凍脹力彈性力學模型
當r=b時,位移δ1為:
(3)
令A=b+h+Δh2B=(b+c+Δh2)2+b2
凍結(jié)圈內(nèi)側(cè)r=b時,位移δf1;凍結(jié)圈外側(cè)r=b+c+Δh2時,位移δf2。
(4)
(5)
未凍結(jié)圍巖內(nèi)側(cè)位移δ2為:
(6)
式中:E1、μ1為襯砌彈性模量和泊松比;E2、μ2凍結(jié)圍巖彈性模量和泊松比;E3、μ3未凍結(jié)圍巖彈性模量和泊松比。
(7)
求解凍脹力σ1如下:
不同凍脹率的計算結(jié)果見表1。
表1 不同凍脹率結(jié)果
彈性力學方法求解隧道凍脹力是經(jīng)過一定假設和簡化求得的,具有一定的局限性,不能真實的反應隧道襯砌的受力狀態(tài)和變形情況,采用彈塑性模型,進一步對凍脹力進行求解。
選擇地層-結(jié)構(gòu)模型計算,利用ANSYS軟件,選用間接耦合法分析隧道襯砌的凍脹和位移狀態(tài)。
首先建立隧道襯砌、圍巖凍結(jié)圈以及未凍圍巖的計算模型。通過溫度場分析,得到溫度荷載,將此荷載施加到結(jié)構(gòu)模型中,得出隧道襯砌凍脹力。模型中將凍脹率換算為線膨脹系數(shù),查閱資料得到線膨脹系數(shù)取值大致為凍脹率的0.2倍[6]。模型網(wǎng)格劃分及溫度場分析如圖2、圖3所示。
圖2 模型網(wǎng)格劃分
圖3 溫度場分析
通過查找規(guī)范、文獻調(diào)研和實測數(shù)據(jù)等相關資料得到表2所示的圍巖和襯砌的各項相關力學參數(shù)。
表2 圍巖和襯砌的各項參數(shù)
計算工況如圖4~圖6所示,埋深選擇10 m、20 m、30 m,凍脹深度2 m、4 m、6 m,凍脹率2 %、3 %、4 %。
(a)凍脹率2%
(b)凍脹率3%
(c)凍脹率4%圖4 不同凍脹率襯砌應力分布云圖(單位:Pa)
(a)埋深10m
(b)埋深20m
(c)埋深30m圖5 不同埋深襯砌應力分布云圖(單位:Pa)
3.3.1 不同凍脹率襯砌受力分析
選取埋深20 m、凍脹深度4 m、凍脹率分別為2 %、3 %、4 %的三種工況類型,受力分析如下:
圍巖自重情況下,保持隧道凍脹深度和埋深不變。由圖7可以看出,隧道襯砌的應力隨著凍脹率的增大而增大,最大壓應力在墻腳和拱腳位置,并隨著凍脹率增大逐漸從墻腳向拱腳轉(zhuǎn)移。
考察凍脹作用引起軸力的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)隨凍脹率增大襯砌所受到軸力不斷增大,最大軸力在拱腳附近。隨凍脹率增大,拱頂、拱腰、拱腳和仰拱彎矩都明顯變大,這是因為隨凍脹率增大凍脹力變大,向內(nèi)擠壓襯砌結(jié)構(gòu),拱腰、拱腳、仰拱處受到較大的剪力,最大彎矩在拱腰處。
(a)凍深2m
(b)凍深4m
(c)凍深6m圖6 不同凍脹深度襯砌應力分布云圖(單位:Pa)
圖7 凍脹率對襯砌軸力(單位:kN)、彎矩(單位:kN·m)影響
3.3.2 不同埋深襯砌受力分析
選取凍脹率2%、凍脹深度4 m、埋深分別為10 m、20 m、30 m的三種工況類型,受力分析如下:
圍巖自重情況下,保持隧道凍脹深度和凍脹率不變。由圖8可以看出,隧道襯砌的應力隨著埋深的增大而增大,這是由于自重效應對襯砌壓力的作用,最大壓應力出現(xiàn)在墻腳和拱腳位置。
圖8 埋深對襯砌軸力(單位:kN)、彎矩(單位:kN·m)影響
考察凍脹作用引起軸力、彎矩結(jié)果,發(fā)現(xiàn)隨埋深增大襯砌拱頂、拱腰、拱腳所受到軸力、彎矩不斷減小,但隨埋深增大減小幅度顯著降低。由于凍脹力的變化在此只受到溫度場變化的影響,隨埋深增大地表低溫對襯砌結(jié)構(gòu)作用降低,到達一定埋深后對結(jié)構(gòu)不再產(chǎn)生影響。
3.3.3 不同凍脹深度襯砌受力分析
選取凍脹率2 %、埋深20 m、取凍脹深度分別為2 m、4 m、6 m的三種工況類型,受力分析如下:
考慮圍巖自重,如果隧道埋深和凍脹率不變,由圖9可以看出,隧道襯砌的應力隨著凍深的增大而增大。這是由于凍脹圍巖厚度增大圍巖膨脹產(chǎn)生應變變大,在圍巖擠壓下使襯砌圈承受剪應力增大,進而使襯砌圈環(huán)向壓應力變大,最大壓應力出現(xiàn)在墻腳和拱腳位置。
圖9 凍脹深度對軸力(單位:kN)、彎矩(單位:kN·m)影響
提取凍脹作用引起襯砌的彎矩、軸力,考察比較軸力圖結(jié)果可知,發(fā)現(xiàn)隨凍深增大襯砌軸力不斷增大,最大軸力在拱腳附近。比較彎矩圖,發(fā)現(xiàn)隨著凍深增大襯砌所受彎矩明顯增大,最大彎矩在拱腳處,達到102 kN·m。
(1)不同凍脹率下,彈性力學方法和數(shù)值模擬計算凍脹力對比分析結(jié)果如表3所示??梢妰煞N計算結(jié)果的規(guī)律存在高度一致。
表3 數(shù)值計算與彈性力學結(jié)果對比
(2) 隧道襯砌應力隨著凍脹率、凍脹深度增大而增大,最大壓應力在墻腳和拱腳位置。隨凍脹率、凍脹深度增大,拱頂、拱腰、拱腳和仰拱所受凍脹力都明顯變大,最大凍脹力在拱腳附近。
(3) 隧道襯砌應力隨著埋深的增大而增大,最大壓應力出現(xiàn)在墻腳和拱腳位置。隨埋深增大,襯砌拱頂、拱腰、拱腳所受到凍脹力不斷減小,但隨埋深增大減小幅度顯著降低。
凍脹力作用下,隧道襯砌薄弱部位主要集中在拱腳位置,其次在拱腰處,針對以上部位需加以重點設防。
[1] 譚賢君. 高海拔寒區(qū)隧道凍脹機理及其保溫技術研究[D].中國科學院研究生院(武漢巖土力學研究所),2010.
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