宋東旭

(中國水利水電第十一工程局有限公司，鄭州 450001)

0 引 言

我國西部屬于多山地區(qū)，地形條件較為復(fù)雜,山體滑坡、崩塌落石等自然地質(zhì)災(zāi)害頻繁,崩塌落石為公路運輸安全的重大隱患之一，必須提前加以防范與整治，盡可能地減少崩塌落石對公路運營秩序的影響，確保公路運輸秩序的安全穩(wěn)定。近年來,如何應(yīng)對崩塌的技術(shù)研究不斷重視,在較為陡峭的高山峽谷下方時，由于施工難度較高，采取主動防護(hù)非常困難，且防護(hù)效果欠佳，在隧道洞口設(shè)置明洞結(jié)構(gòu)作為一種典型的被動防護(hù)形式，本身具有較強(qiáng)的防護(hù)能力,有著良好的力學(xué)性能，成熟的施工工藝，以及廣泛的適宜性，兼顧交通、環(huán)保、防災(zāi)，現(xiàn)被廣泛應(yīng)用于山區(qū)的公路工程、鐵路工程、隧道工程中[1-3]。

典型的隧道洞口結(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)框架以及覆蓋在結(jié)構(gòu)頂部的緩沖材料組成，在落石沖擊作用下，通過墊層材料的緩沖作用，可吸收部分落石的沖擊能量，將一部分沖擊壓力傳遞到防護(hù)結(jié)構(gòu)上，文章利用ANSYS/LS-DYNA有限元動力分析軟件，運用數(shù)值模擬對落石直接沖擊混凝土結(jié)構(gòu)以及沖擊設(shè)有砂墊層的混凝土結(jié)構(gòu)的兩種工況進(jìn)行模擬，通過結(jié)果對比，分析砂墊層的緩沖效果，為實際設(shè)計施工提供參考[4-6]。

1 工程概括

峨漢高速第2標(biāo)段第12合同段，地處四川省雅安市漢源縣順河鄉(xiāng)境內(nèi)，屬超特長隧道，隧道長7021m(左右線平均)，主洞左線起訖里程 ZK104+545- ZK111+554，全長7009m；主洞右線起訖里程 K104+525- K111+558，全長7033m；在進(jìn)口端，隧道軸線與地形線基本正交，地形陡峻，洞口附近為巨厚松散崩坡積體，且左右線為小凈距隧道，為避免隧道穿越洞口覆蓋層時發(fā)生坍塌冒頂，節(jié)約工程造價，同時方便布置長大隧道施工場地，對進(jìn)口端覆蓋層進(jìn)行清方處理，為增加高邊坡的穩(wěn)定性，保證隧道洞口的行車安全，左右線均設(shè)置了10m路塹式明洞。洞口明洞立面圖，見圖1。

圖1 洞口明洞立面圖

2 數(shù)值模型與計算參數(shù)

2.1 問題描述

沖擊過程主要涉及混凝土板、墊層、落石，因此將模型簡化，考察如圖2所示的結(jié)構(gòu)，假定落石以一定的速度沖擊混凝土板與墊層，考慮砂墊層材料的相對剛度較小，落石視為剛形體，不考慮質(zhì)量損失，模型所在整個空間內(nèi)在沖擊過程中只考慮豎向位移，不存在旋轉(zhuǎn)自由度，沖擊過程計入落石重力，不考慮空氣阻力[7-9]。

圖2 混凝土結(jié)構(gòu)頂板模型網(wǎng)格圖

文章采用ANSYS/LS-DYNA軟件，利用其顯示動力算法模擬落石沖擊結(jié)構(gòu)的動力過程，接觸算法采用“對稱罰函數(shù)法”,通過細(xì)化網(wǎng)格來控制Hourglass效應(yīng)。為節(jié)省計算時間，在t=0時落石與墊層接觸，對落石組件施加初始速度來模擬下落高度。

2.2 模型尺寸

混凝土結(jié)構(gòu)模型分為3部分，包括落石、混凝土板、混凝土梁?；炷亮航孛骈L寬分別為0.6m、0.8m，板跨度8m，厚0.5m，墊層厚度為1.5m，計算寬度6m。根據(jù)有關(guān)部門的調(diào)查數(shù)據(jù),對于山區(qū)公路的一般防塌明洞來說,落石體積大部分為1-2m3。落石半徑為0.5m，取落石沖擊速度為14m/s(即從10m高處自由下落)，沖擊動能為130kJ。

2.3 單元及材料

數(shù)值模擬分析中落石、混凝土、砂墊層均采用SOLID164單元。為節(jié)省計算時間，落石采用剛體模型，密度為2500kg/m3,泊松比為0.22，彈性模量為1GPa?；炷敛捎肏JC模型，該模型適應(yīng)于混凝土承受大應(yīng)變、高應(yīng)變率和超壓等場合。砂土墊層采用Drucker-Prager材料模型，但采用DP材料模型模擬時不能實現(xiàn)砂土模型失效后單元的刪除，因此在本模擬中通過施加關(guān)鍵字來實現(xiàn)單元的失效，單元失效會自動刪除從而退出工作，失效準(zhǔn)則是屈服極限達(dá)到0.148MPa[10-12]。

表1 材料參數(shù)

2.4 邊界條件

在本模擬過程中，混凝土結(jié)構(gòu)上面為自由面，對橫梁底部采用全約束。同時為模擬結(jié)構(gòu)的延伸性，在縱向邊界設(shè)置無反射邊界條件，防止反射波進(jìn)入模型對最終計算結(jié)果產(chǎn)生影響。在沖擊碰撞過程中，定義落石與混凝土結(jié)構(gòu)之間的接觸為面面自動接觸[13-14]。

3 計算結(jié)果分析

3.1 落石直接沖擊混凝土結(jié)構(gòu)

1)塑性變形：t=0.01s時刻塑性變形云圖，如圖3所示。

圖3 t=0.01s時刻塑性變形云圖

在沖擊過程中，在t=0.01s時刻落石與混凝土板發(fā)生碰撞，落石正下方混凝土結(jié)構(gòu)開始發(fā)生破壞，出現(xiàn)塑性變形，并逐漸向四周擴(kuò)散，最大塑性應(yīng)變?yōu)?.018，并且可以在云圖上觀察到，發(fā)生塑性的破壞范圍是以落石下落點為圓心，半徑為0.62m的圓形范圍內(nèi)。

2)頂板Mises等效動應(yīng)力分析：頂板內(nèi)側(cè)中心點Mises等效應(yīng)力時程曲線，如圖4所示。

圖4 頂板內(nèi)側(cè)中心點Mises等效應(yīng)力時程曲線

從圖2中可以看出，落石沖擊力直接作用在結(jié)構(gòu)上，在跨中位置處的等效動應(yīng)力最大，為46MPa，在板與梁的交接處，出現(xiàn)了應(yīng)力集中，等效應(yīng)力為10.4MPa，這是由于沖擊力所引起的彎矩作用。從圖3中可以看出，Mises等效動應(yīng)力時程曲線變化趨勢呈現(xiàn)波動狀，在落石沖擊力的作用下等效動應(yīng)力迅速增大到最大值，為12.9MPa，達(dá)到峰值后不斷減小。

3)落石加速度：落石加速度時程曲線，如圖5所示。

圖5 落石加速度時程曲線

整個沖擊過程歷時0.02s，落石加速度曲線形狀大致呈正弦狀，加速度達(dá)到最大值后開始減少，最大值為2290m/s2，模型中落石質(zhì)量為1308kg，由F=ma可計算得到最大沖擊力為3000kN。

3.2 落石沖擊1m墊層混凝土結(jié)構(gòu)

1)頂板Mises等效動應(yīng)力分析：t=0.1s時等效動應(yīng)力云圖，如圖6所示；頂板內(nèi)側(cè)中心點Mises等效應(yīng)力時程曲線，如圖7所示。

圖6 t=0.1s時等效動應(yīng)力云圖

圖7 頂板內(nèi)側(cè)中心點Mises等效應(yīng)力時程曲線

落石沖擊設(shè)有墊層材料的混凝土結(jié)構(gòu)，在跨中位置處以及在板與梁的交接處，出現(xiàn)了較大的等效動應(yīng)力，但最大的等效動應(yīng)力為1.7Mpa。頂板內(nèi)側(cè)中心點Mises等效應(yīng)力的時程曲線呈脈沖狀，最大值發(fā)生在0.05s，為1.9Mpa，與直接沖擊混凝土結(jié)構(gòu)相比減少了85%。

2)落石加速度：落石加速度時程曲線，如圖8所示。

圖8 落石加速度時程曲線

從圖上可以看出，加速度時程曲線同樣呈脈沖狀，在極短的時間內(nèi)落石沖擊力達(dá)到峰值603KN,隨后落石沖擊力迅速減小，直至減少至0，主要由于墊層的緩沖作用，土體發(fā)生變形吸收了部分沖擊能量，整個沖擊過程持續(xù)0.15s，沖擊持續(xù)時間發(fā)生了增加，可看出墊層對混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)作用。

4 結(jié) 論

文章以峨漢高速第2標(biāo)段第12合同段大巖隧道洞口明洞為背景，結(jié)合數(shù)值模擬，重點研究了混凝土板結(jié)構(gòu)在落石沖擊下的力學(xué)響應(yīng)以及采用砂墊層的緩沖效果，得到以下結(jié)論：

1)落石在沖擊過程中，會產(chǎn)生較大的沖擊力，在混凝土板與梁的交接處易發(fā)生破壞，在設(shè)計施工時應(yīng)重點關(guān)注。

2)通過在混凝土結(jié)構(gòu)上添加砂土墊層能有效的降低落石沖擊下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值，其等效應(yīng)力值可減少85%左右，結(jié)構(gòu)受到的落石沖擊力可減少79%，因此在混凝土結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置墊層材料是相當(dāng)必要的。