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        基于小應(yīng)變土體硬化模型的水工隧洞圍巖穩(wěn)定性研究

        2022-09-20 01:26:26賈晶璽盛健挺梁江晟孟凡香
        河南科學(xué) 2022年7期
        關(guān)鍵詞:庫倫摩爾隧洞

        賈晶璽, 于 奎, 黃 勇, 盛健挺, 梁江晟, 孟凡香

        (1.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院,哈爾濱 150080; 2.黑龍江省水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院,哈爾濱 150080)

        有限元數(shù)值分析是解決實(shí)際復(fù)雜巖土工程的重要手段,而影響數(shù)值計(jì)算結(jié)果可靠度的重要因素便是土體本構(gòu)關(guān)系的選擇和材料參數(shù)的確定. 對(duì)于軟土較多的基坑工程來說,選用已經(jīng)發(fā)展成熟和應(yīng)用廣泛的小應(yīng)變土體硬化模型(簡(jiǎn)稱HSS模型)能夠解決土體在小應(yīng)變階段的一系列變形問題. 小應(yīng)變土體硬化模型已經(jīng)經(jīng)過大量實(shí)際基坑工程驗(yàn)證,被基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)推薦使用[1]. 但是目前大量的軟弱土體地質(zhì)條件下的水工隧洞工程中仍常采用摩爾庫倫彈塑性模型,對(duì)小應(yīng)變土體硬化模型應(yīng)用較少.

        國(guó)內(nèi)外大量研究和工程實(shí)例表明,在地下結(jié)構(gòu)開挖過程中,除少數(shù)區(qū)域發(fā)生塑性變形或破壞以外,大部分區(qū)域?yàn)樾?yīng)變狀態(tài)[2-4]. 小應(yīng)變是指應(yīng)變值較小,范圍為10-5~10-2. Jardin等[5]通過對(duì)大量土體變形試驗(yàn)研究確定土體小應(yīng)變具有高剛度、非線性等特點(diǎn). 采用常規(guī)線彈性或摩爾庫倫模型很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)小變形情況下的非線性特征以及土和結(jié)構(gòu)相互作用的變形情況. 小應(yīng)變土體硬化模型不僅能反映小變形土體開挖問題中的卸載應(yīng)力路徑問題,而且可以反映軟土的剪脹性與壓縮硬化,因而更適用于模擬軟土類復(fù)雜地質(zhì)的開挖問題.

        張晉勛等[6]對(duì)理想盾構(gòu)隧道工程模型,利用正交試驗(yàn)進(jìn)行了小應(yīng)變土體硬化模型的多參數(shù)全范圍水平取值的敏感性研究;施有志等[7]分析了廈門地區(qū)小應(yīng)變土體硬化模型的小應(yīng)變參數(shù)對(duì)地表沉降及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響;吳小斌等[8]利用HSS模型對(duì)常州某地鐵車站深基坑工程進(jìn)行了數(shù)值模擬;顧曉強(qiáng)等[9]系統(tǒng)研究了上海地區(qū)土體HSS模型參數(shù)的取值問題,并進(jìn)行了工程驗(yàn)證;尹驥[10]利用上海地區(qū)兩個(gè)深基坑工程實(shí)例驗(yàn)證了小應(yīng)變土體硬化模型在深基坑數(shù)值計(jì)算中的可行性和參數(shù)的準(zhǔn)確性. 基于HSS模型的基坑工程[11-13]和盾構(gòu)隧道工程[14-15]的研究為采用小應(yīng)變土體硬化模型研究水工隧洞穩(wěn)定性問題提供了借鑒和參考.

        1 小應(yīng)變土體硬化模型

        1.1 小應(yīng)變土體硬化模型原理

        小應(yīng)變土體硬化模型(簡(jiǎn)稱HSS 模型)是Benz[16]在硬化土模型的基礎(chǔ)上綜合考慮了小應(yīng)變階段土體特性改進(jìn)得來的. 土體硬化模型是通過三軸壓縮試驗(yàn)和固結(jié)試驗(yàn)提出的彈塑性模型,采用雙曲線來擬合三軸壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系. Benz 在硬化土模型的基礎(chǔ)上,考慮了主偏量加載和主壓縮帶來的剪切硬化和壓縮硬化,提出了小應(yīng)變情況下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的簡(jiǎn)單雙曲線模型[16]. 圖1為土體硬化模型標(biāo)準(zhǔn)排水三軸試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線,其中,ε1為軸向應(yīng)力;σ1-σ3為偏主應(yīng)力.qf為摩爾-庫倫剪切破壞強(qiáng)度值;qa是漸近線強(qiáng)度值;E50為50%強(qiáng)度時(shí)的割線強(qiáng)度;Eur為土體的回彈模量.

        圖1 土體硬化模型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curve of hardening soil model

        在主應(yīng)力空間中,HSS模型的硬化屈服面是隨著塑性應(yīng)變的增大而變大,不是完全固定的,其剪切屈服函數(shù)表達(dá)式為

        式中:γp為累積塑性剪切應(yīng)變.小應(yīng)變土體硬化模型除了具有硬化土模型所有的參數(shù)特征外,還引入?yún)⒖技羟心A亢托?yīng)變剛度系數(shù)γ0.7兩個(gè)小變形量,來考慮土體在小應(yīng)變階段剛度較大的特性.

        1.2 HSS 模型與其他本構(gòu)模型的比較

        常用的巖土本構(gòu)模型有:線彈性模型、Druker-Prager 模型、摩爾-庫倫模型、Duncan-Chang 模型、格里菲斯強(qiáng)度模型、霍克-布朗模型、硬化土模型以及小應(yīng)變土體硬化模型等.

        線彈性模型能夠預(yù)測(cè)線性變形,但未考慮土體的非線性問題;Duncan-Chang模型是一種非線彈性模型,應(yīng)用較廣,參數(shù)易得,但不能很好地反映除壓縮以外的其他應(yīng)力路徑問題,也沒有考慮土的剪脹性;摩爾-庫倫模型作為應(yīng)用廣泛的理想彈塑性模型,其參數(shù)比較簡(jiǎn)單并且獲取容易,但未考慮卸載模量與加載模量的影響;Druker-Prager模型為彈塑性模型,參數(shù)簡(jiǎn)單易取,能分析土體的剪脹性,但未考慮固結(jié)壓力的作用;格里菲斯強(qiáng)度模型與摩爾庫倫模型有明顯不同,認(rèn)為巖土體破壞是脆性拉伸破壞,主要適用于堅(jiān)硬脆性巖土體的破壞問題;硬化土模型(HS)考慮了巖土體的壓縮性和剪脹性,但是未考慮土體在小應(yīng)變狀態(tài)下具有較大的剛度和剛度隨應(yīng)變?cè)黾佣趸那闆r.

        與其他本構(gòu)模型相比,小應(yīng)變土體硬化模型不僅考慮了軟土的固結(jié)變化特性與剛度隨應(yīng)變?cè)黾佣趸奶卣鳎铱紤]軟土的壓縮硬化與剪脹性,可以處理土體在小應(yīng)變階段剛度較大的問題. 小應(yīng)變土體硬化模型更適用于對(duì)粉土、砂土、黏土等較軟類地質(zhì)的模擬.

        1.3 HSS模型參數(shù)確定方法

        小應(yīng)變土體硬化模型共包含上述2個(gè)小變形參數(shù)和硬化土模型的11個(gè)參數(shù). 綜合參考相關(guān)研究[9,17-18]和理論,各參數(shù)定義以及取值方法如表1所示.

        表1 HSS模型參數(shù)意義及取值方法Tab.1 Connotations of parameters in the HSS model and their determination methods

        2 模型的建立與參數(shù)確定

        2.1 工程背景

        本研究是基于黑龍江省哈爾濱市通河縣二甲溝水庫引水隧洞工程. 隧洞設(shè)計(jì)長(zhǎng)度2410 m,洞頂埋深約為25.1~30.9 m. 隧洞處于低山丘陵地區(qū),隧洞沿線局部區(qū)域穿過山間臺(tái)地. 大部分山體表層覆蓋有機(jī)質(zhì)低液限粉質(zhì)黏土,下部為強(qiáng)風(fēng)化和弱風(fēng)化粗?;◢弾r. 局部地表為水田,土體受多年浸泡的影響,上層土體及巖體均處于飽水狀態(tài)[20]. 該隧洞埋深淺,大部分巖土體為Ⅳ、Ⅴ類圍巖,開挖施工期間隧洞變形較大,整體穩(wěn)定性差,因此準(zhǔn)確分析圍巖變形情況尤為重要.

        洞頂覆土由下至上可以分為弱風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、全風(fēng)化花崗巖和粉質(zhì)黏土四層. 根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告提供的土層參數(shù)如表2.

        表2 土體勘查參數(shù)Tab.2 Soil investigation parameters

        本次模擬分析采用PLAXIS 3D 建立模型.依據(jù)上述多種巖土本構(gòu)模型適用范圍,綜合考慮各材料特性,粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖為破碎軟弱巖土體采用HSS 模型,弱風(fēng)化花崗巖采用摩爾-庫倫模型,支護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土襯砌采用線彈性模型來模擬. HSS模型中、、等參數(shù)需要標(biāo)準(zhǔn)排水三軸試驗(yàn)確定,實(shí)際工程勘查中難以提供. 結(jié)合勘查報(bào)告并參考相關(guān)研究[9]和經(jīng)驗(yàn)公式,確定此工程的HSS模型部分參數(shù)如表3所示. 弱風(fēng)化花崗巖和混凝土襯砌材料參數(shù)如表4所示.

        表3 HSS模型部分參數(shù)Tab.3 Partial parameters of model HSS

        表4 部分巖體參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.4 Some rock parameters and structural parameters

        2.2 模型建立

        為研究該水工隧洞開挖在小變形階段的應(yīng)力和變形情況,選取二甲溝水庫引水隧洞0+627~0+632段長(zhǎng)度約30 m的隧洞作為計(jì)算模型. 該水工隧洞為無壓隧洞,形式為圓拱直墻形,埋深約25.1 m,設(shè)計(jì)水深2.5 m,圓拱半徑2.7 m,直墻段高度2.7 m,底寬5.4 m,洞身襯砌厚度40~80 cm. 隧洞采用邊開挖邊支護(hù)的方式施工.結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土襯砌,采用板單元模擬. 土體參數(shù)按表2和表3設(shè)置.

        2.3 應(yīng)力分析

        本次模擬采用小變形土體硬化土模型來模擬隧洞分部開挖和支護(hù). 隧洞圍巖最大主應(yīng)力分布如圖2所示,在隧洞斷面周圍主應(yīng)力最大值出現(xiàn)在兩個(gè)底角處,另外側(cè)墻與頂拱交接處也出現(xiàn)較大應(yīng)力,這符合拐角處易出現(xiàn)應(yīng)力集中的實(shí)際情況. 應(yīng)當(dāng)注意對(duì)較大應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行加固,以防發(fā)展成塑性區(qū)而進(jìn)一步崩塌破壞.

        圖2 隧洞斷面周邊最大主應(yīng)力分布圖Fig.2 Distribution of the maximum principal stress around the tunnel section

        2.4 變形分析

        隧洞開挖結(jié)束整體變形和隧洞洞頂沉降變形分別如圖3和圖4所示. 由于巖層松軟,隧洞變形主要在拱頂和洞底,拱頂擠壓出現(xiàn)大的下降變形,甚至可能出現(xiàn)松動(dòng)掉塊,洞底出現(xiàn)擠出鼓包變形,最大變形出現(xiàn)在洞底隆起變形達(dá)0.098 m.

        圖3 隧洞整體變形圖Fig.3 Overall deformation diagram of the tunnel

        圖4 隧洞洞頂沉降變形分布圖Fig.4 Distribution diagram of settlement deformation at the top of the tunnel

        為研究開挖過程中隧洞的變形特征,得到了不同施工開挖進(jìn)尺的隧洞變形云圖. 由圖5 可見,隧洞變形隨著施工的推進(jìn)逐步增大,最后在整個(gè)模型區(qū)域均出現(xiàn)了明顯的變形,頂部沉降變形和底部鼓包變形越來越大.

        圖5 不同施工開挖進(jìn)尺的隧洞變形云圖Fig.5 Cloud diagrams of tunnel deformation under different construction excavation levels

        2.5 對(duì)比分析

        采用摩爾-庫倫模型和小變形土體硬化模型分別對(duì)該水工隧洞開挖工程進(jìn)行數(shù)值模擬分析,獲得水工隧洞頂部變形隨開挖進(jìn)尺深度的變化曲線(如圖6 和圖7),并根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證. HSS 模型下,隧洞最大變形和頂部最大沉降位移分別為9.8 和6.9 mm;而摩爾庫倫模型下,隧洞最大變形和頂部最大沉降位移分別為30.2 和9.1 mm. HSS 模型考慮了土體在小應(yīng)變階段特性,隧道開挖引起卸荷區(qū)域的變形模量會(huì)增大,土體變形反而會(huì)減?。欢趥鹘y(tǒng)的彈塑性模型(摩爾-庫倫模型)中,土體的變形模量是恒定的.因而小變形土體硬化模型計(jì)算的結(jié)果和摩爾-庫倫模型的結(jié)果是不一致的,小變形土體硬化模型計(jì)算的隧道頂部位移相對(duì)較小.

        圖6 摩爾庫倫模型下的隧洞頂部變形Fig.6 Tunnel top deformation based on the Mohr-Coulomb model

        圖7 小變形土體硬化本構(gòu)模型下的隧洞頂部變形Fig.7 Tunnel top deformation based on the hardening soil model with small strain stiffness

        從模擬分部開挖的各個(gè)階段取得隧洞洞頂最大沉降變形數(shù)據(jù)繪得如圖8 所示,顯然,小變形土體硬化模型分析得到的隧洞頂部變形比摩爾庫倫模型更小,更接近實(shí)際變形情況. 這說明HSS 模型分析出的變形量與實(shí)際監(jiān)測(cè)最大沉降量數(shù)據(jù)吻合更好.

        圖8 隧洞頂部沉降變形對(duì)比Fig.8 Comparison of settlement deformation at the top of the tunnel

        3 結(jié)語

        1)本文通過理論分析,較好地模擬出了二甲溝水庫引水隧洞的圍巖變形情況. 在軟弱土層的地質(zhì)條件下,采用小變形土體硬化土模型對(duì)土體小變形階段的模擬更接近實(shí)際情況,能夠清晰地描述土體剪切硬化、壓縮硬化情況,能為類似實(shí)際工程的方案設(shè)計(jì)與開挖支護(hù)提供參考和依據(jù).

        2)小變形土體硬化模型與摩爾-庫倫模型相比,HSS模型考慮了土體卸載時(shí)其剛度增大的特性,能夠更準(zhǔn)確地描述土體的塑性特征和小變形情況,但是其實(shí)際使用難度在于土體參數(shù)的選擇與確定[21]. 因此小變形土體硬化模型在后續(xù)的推廣和應(yīng)用中,關(guān)鍵問題在于參數(shù)選取的簡(jiǎn)化,使之更便于實(shí)際工程使用.

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