張興仙
【摘要】本文對(duì)地震作用下工程場(chǎng)地巖層中出現(xiàn)的破碎帶的寬度變化和剛度變化對(duì)地下結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行研究。破碎帶以軟弱層的方式進(jìn)行模擬。寬度分別為0.5m、2.0m。剛度分別為200Mpa、1000Mpa。有限元模擬分析得出:破碎帶在地震作用中,由于其剛度較小,變形較大,吸收了大部分能量,導(dǎo)致破碎帶與斷層之間的山體及結(jié)構(gòu)變形增大,而在破碎帶與斷層之外的部分結(jié)構(gòu)及山體則由于破碎帶的耗能阻斷作用而得到保護(hù),變形和應(yīng)力反而成減小趨勢(shì)。
【關(guān)鍵詞】破碎帶 軟弱層 有限元分析
1有限元模型的建立
1.1工程概況
本文所研地下工程場(chǎng)地位于北川映秀斷裂附近,在經(jīng)歷8.0級(jí)大地震后,工程遭受?chē)?yán)重破壞,在場(chǎng)地附近產(chǎn)生主地表破裂,主地表破裂在場(chǎng)地附近寬約30m,最大垂直位錯(cuò)達(dá)3.5m最大水平錯(cuò)動(dòng)2.5m。主地表破裂帶F1未通過(guò)工程場(chǎng)地,它距離工程的最近距離約250m,但工程場(chǎng)地處于發(fā)震斷層的上盤(pán),在地震時(shí)主破裂帶強(qiáng)烈變形過(guò)程中,位于斷層上盤(pán)的工程場(chǎng)地內(nèi)部產(chǎn)生了次級(jí)破裂,致使工程內(nèi)部遭受了嚴(yán)重破壞,破碎帶寬度0.5m~2.0m。楊氏模量E為200Mpa-1000Mpa。
1.2有限元模型的建立
為了將復(fù)雜抽象的實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為具體簡(jiǎn)單的數(shù)值分析模型,本文對(duì)模型做了部分假設(shè),所做的基本假定如下:
(1)假定沿著坑道的軸線方向,周?chē)鷰r體的特性與坑道的特性并不發(fā)生改變,地質(zhì)與地形條件相同,建立簡(jiǎn)化的三維模型。
(2)假定巖層各向同性,沿水平方向均勻分布,不考慮地下水滲流的影響。
(3)假設(shè)整個(gè)模型的各部分都是在線彈性范圍內(nèi)工作,所以采用靜力分析中的線彈性分析。
本文分別建立寬0.5m、2m,楊氏模量分別為E1=1000Mpa、E2=200Mp的破碎帶來(lái)模擬其對(duì)地下工程的影響。工程的軸線圖、隧道截面形狀如圖1所示。在建立幾何模型的時(shí)候,把工程所在的山體采用圓錐體的形狀來(lái)模擬,山體坡度為350,山體模型的建立如圖2(a)所示,地下隧道的模型建立如圖2(b)所示。
(a)建立的山體
(b)建立的隧道
圖2建立的山體、隧道的幾何模型
材料特性如表1所示。本文中整個(gè)模型劃分的單元控制在了50萬(wàn)內(nèi),其中巖體單元40萬(wàn)左右、襯砌單元7萬(wàn)左右。斷層、破碎帶和地下結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系見(jiàn)圖3所示。
在距1#口所在平面250m的地方模擬大斷層,地震作用過(guò)程中斷層水平位移和豎向位移作為外荷載條件(位移場(chǎng))輸入模型。所施加的位移場(chǎng)的位置和方向見(jiàn)圖4。
邊界條件為距離大斷層700m的上盤(pán)底面固定X,Y,Z向位移,詳見(jiàn)圖5。
2計(jì)算結(jié)果
模型位移分析時(shí)選取監(jiān)控截面見(jiàn)圖6(a),應(yīng)力分析時(shí)選取的監(jiān)控截面主要是結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)折、接頭部位和破碎帶附近截面,見(jiàn)圖6(b)。各截面距離1#口所在截面的距離詳見(jiàn)表2。其中,圖(a)截面3、4相距5m,截面6、7相距5m,截面4、6相距10.5m;圖(b)截面7為破碎帶中央截面,截面5、6、7、8、9截面分別相距1m。把破碎帶看做是一個(gè)規(guī)模較小的斷層,那么次級(jí)破碎帶左側(cè)的部分稱為上盤(pán),右側(cè)的部分稱為下盤(pán)。
(a)位移分析時(shí)選取監(jiān)控截面
(b)應(yīng)力分析時(shí)選取監(jiān)控截面
2.1位移數(shù)據(jù)
分析中破碎帶的寬度分別為0.5m、2m,楊氏模量分別為E1=1000MPa、E2=200MPa。得到14個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖6(a)所示)的位移,見(jiàn)表2。
破碎帶處襯砌的變形圖,如圖7所示。
(a)無(wú)破碎帶襯砌變形;(b)0.5m、E1破碎帶處襯砌變形;(c)2.0m、E1破碎帶處襯砌變形;(d)0.5m、E2破碎帶處襯砌變形;(e)2.0m、E2破碎帶處襯砌變形。
根據(jù)表格2數(shù)據(jù),以距1#口截面距離(m)為橫坐標(biāo),各節(jié)點(diǎn)位移(mm)為縱坐標(biāo),做散點(diǎn)圖8,得出位移變化對(duì)比圖(見(jiàn)圖8)。
表3破碎帶不同寬度、不同彈模時(shí)各監(jiān)測(cè)截面上各點(diǎn)應(yīng)力(KN/m2)
2.2應(yīng)力數(shù)據(jù)
提取20個(gè)監(jiān)控截面的40個(gè)單元的應(yīng)力值見(jiàn)表3。
圖9為所截取襯砌拱頂、拱底的應(yīng)力云圖。圖10破碎帶0.5m、2m,楊氏模量為E1、E2時(shí)破碎帶時(shí)所截取襯砌拱頂、拱底的應(yīng)力云圖。
(a)破碎帶0.5m寬、楊氏模量為E1時(shí)襯砌拱頂、拱底應(yīng)力云圖
(b)破碎帶2.0m寬、楊氏模量為E1時(shí)襯砌拱頂、拱底應(yīng)力云圖
(c)破碎帶0.5m寬、楊氏模量為E2時(shí)襯砌拱頂、拱底應(yīng)力云圖
(d)破碎帶2.0m寬、楊氏模量為E2時(shí)襯砌拱頂、拱底應(yīng)力云圖
3結(jié)論
計(jì)算結(jié)果表明,在遠(yuǎn)離破碎帶的兩邊的各監(jiān)測(cè)截面上各單元的應(yīng)力均減小,且隨著破碎帶寬度的增加,應(yīng)力降低的越明顯。而當(dāng)破碎帶剛度較?。◤椥阅A枯^?。r(shí),隨著寬度的增加各點(diǎn)應(yīng)力減小的幅度越大。在破碎帶及其附近的襯砌出現(xiàn)應(yīng)力集中,此段的截面單元的應(yīng)力改變較大,絕大部分單元應(yīng)力均在原來(lái)的基礎(chǔ)上增加幾倍甚至十幾倍不等,而且大部分受壓?jiǎn)卧汲隽艘r砌混凝土混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,破碎帶處的結(jié)構(gòu)剪斷破壞。
隨著破碎帶寬度的增加和剛度的減小,位于下盤(pán)的結(jié)構(gòu)的最大位移增大。穿越破碎帶處的隧道襯砌變形和應(yīng)力均較大,應(yīng)力集中并剪斷破壞。隨著破碎帶寬度的增加,位移突變的程度增大。位于下盤(pán)的結(jié)構(gòu),由于破碎帶的存在導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的位移增大,此部分的位移有一部分是剛體位移,應(yīng)力水平有所下降;而位于上盤(pán)的結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力均有有減小趨勢(shì),這種減小程度與破碎帶的寬度成正比與破碎帶剛度成反比關(guān)系。充分說(shuō)明破碎帶在地震作用中,由于其剛度較小,變形較大,吸收了大部分能量,導(dǎo)致破碎帶與斷層之間的山體及結(jié)構(gòu)變形增大,而在破碎帶與斷層之外的部分結(jié)構(gòu)及山體則由于破碎帶的耗能阻斷作用而得到保護(hù),變形和應(yīng)力反而成減小趨勢(shì)。