基于不同上覆岩层的浅埋隧道动力响应特性研究

王飞飞, 牛家永, 王学义, 包嘉邈



基于不同上覆岩层的浅埋隧道动力响应特性研究

王飞飞, 牛家永, 王学义, 包嘉邈

(中南林业科技大学土木工程与力学学院, 湖南长沙, 410004; 中南林业科技大学岩土工程研究所, 湖南长沙, 410004)

利用Midas NX有限元数值模拟软件对浅埋隧道数值模型进行非线性时程分析, 研究了在不同上覆岩层的情况下, 岩层类型和地震波激振峰值对浅埋隧道加速度动力响应的影响。结果表明: 在Ⅰ～Ⅴ类上覆岩层状况下, 衬砌上各测点的放大系数大于1; 不同上覆岩层对衬砌加速度动力响应均有放大效应; 围岩条件越好, 隧道抗震性能越强。在Ⅰ～Ⅲ类上覆岩层条件下, 地震波激振峰值对隧道动力响应的影响比在Ⅳ及Ⅴ类上覆岩层条件下要大。

隧道工程; 数值模拟; 上覆岩层; 加速度响应

浅埋隧道的上覆岩层的物理力学性质在一些非正常因素作用下易发生变化, 隧道的抗震性能同样也会受到很大的影响[1]。因此, 在不同上覆岩层作用下浅埋隧道的地震反应特性、失效机制与稳定性是亟待解决的问题。李林等[2]通过数值模拟和大型振动台模型试验对浅埋隧道在不同围岩类型条件下的地震响应特性进行了研究, 结果表明隧道围岩类型对隧道地震响应特性有明显的影响, 围岩越好, 其抗震性越好; 围岩越差, 加速度放大效应越明显。何川等[3]通过振动台模型试验及数值计算对跨断层破碎带隧道的动力响应进行了研究, 得出隧道断层带围岩有较大的加速度响应特性。王帅帅等[4]为研究地震作用下含软弱夹层隧道洞口仰坡的动力响应特性, 开展了隧道洞口含软弱夹层仰坡振动台试验研究。丁祖德等[5]采用动力有限元法, 建立了隧道—围岩相互作用的计算模型, 分析不同列车运行速度和不同隧道底部结构形式下的高速铁路隧道基底软岩的动力响应特征。王祥秋等[6]基于小波变换的隧道洞口段三维动力有限元分析的时域分析法, 建立了相应的有限元分析模型, 对提速列车震动荷载作用下不同围岩条件隧道洞口段动力响应进行分析研究。从目前的研究现状可知学者们对于隧道围岩都是作为同类岩石等级来进行研究的, 而在围岩进行分层的情况下研究隧道动力响应特性却鲜有报道。本文利用Midas NX有限元数值模拟软件, 建立隧道模型并对模型进行模态分析和非线性时程分析, 研究基于不同上覆岩层的浅埋隧道动力响应特性。研究成果促进了对浅埋隧道在地震作用下动力响应特性的认识, 并为此类隧道的抗减震设计及修建提供有益参考。

1 建立数值模型

1.1 选取参数

根据研究目的与相应规范[7], 选取各类围岩及衬砌混凝土物理力学参数见表1。

表1 隧道围岩及衬砌材料物理力学参数

在弹性均质无限区域内开挖隧道时, 因荷载得到释放, 使得隧道周围的介质应力与位移场发生改变。为使建立的数值模型更加符合实际情况, 故取模型尺寸为100 m × 50 m × 50 m(长×宽×高)。根据规范[7]取隧道净宽12 m, 净高10 m, 隧道埋深24 m。隧道轴线距模型左右边界均为50 m, 距底边界16 m。为符合浅埋隧道实际情况, 模型分为2层, 上覆岩层厚度22 m, 用5个类别的围岩依次模拟, 下层隧道围岩为Ⅲ类围岩。在特定的材料介质与输入地震动频率的情况下, 模型计算精度随单元尺寸增大而出现失真。由文献[8]可知, 为了准确模拟波的传播, 空间单元尺寸必须不大于1/10～1/8输入波的最高频率部分所确定的波长。模型划分节点总数有7 331个, 单元总数有40 433个, 假设模型为各向同性均质理想的线弹塑性岩土体, 并采用莫尔-库伦为此模型的计算模型(图1)。

图1 计算模型(单位: m)

1.2 数值模型边界条件

地震波在传播的过程中遇到广义结构物或岩体结构面会发生透射与折射现象, 且与入射波相互干涉形成复杂的波场。模拟地震波在介质中传播时, 须要考虑无限域的动力影响作用。对于地下结构物, 若直接采用固定边界并输入地震波则会造成计算结果产生巨大的误差, 故要引入人工边界。此种人工边界不会对外行地震波造成影响, 也不会将能量限制在有限的离散区域内, 因此能够得到更加精确的结果。为了避免散射波在人工边界上产生反射, 较好地模拟介质的弹性恢复性能, 分析时采用Deeks[9]和刘晶波等[10]提出的黏弹性人工边界条件。黏弹性边界能够模拟人工边界半无限介质的弹性恢复性能, 且具有良好的稳定性和较高的精度。计算模型采用黏弹性边界和自由场边界。

1.3 选取地震波及测点

选取EL-Centro波作为加载地震波, 经过调整后加速度峰值分别为0.1g、0.2g与0.4g, 并逐级加载, 持续时间为15 s, 地震波沿水平向(向)且垂直于隧道纵向进行加载。地震波加速度时程曲线及傅里叶谱如图2所示。

根据数值模拟的条件和模拟的目的, 在衬砌1—左拱脚、2—左拱肩、3—拱顶、4—右拱肩、5—右拱脚的关键位置选取5个测点, 衬砌上测点的布置如图3所示。

图3 衬砌测点布置

1.4 数值计算工况

为了探讨并研究不同上覆岩层物理力学参数和地震波加速度峰值对浅埋隧道动力响应的影响, 设计了15个计算工况。工况1～5, 采用加速度为0.1g的地震波进行加载; 工况6～10, 采用加速度为0.2g的地震波进行加载; 工况11～15, 采用加速度为0.4g的地震波进行加载。工况1、6、11, 工况2、7、12, 工况3、8及13, 工况4、9及14, 工况5、10及15, 上覆岩层分别采用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩进行数值计算。

2 数值计算结果分析

采用加速度放大系数描述浅埋隧道加速度响应特性。定义向的加速度放大系数为测点加速度响应峰值与加载地震波峰值的比值。衬砌上每个测点的加速度响应峰值如表2所示。本文仅给出在Ⅲ类上覆岩层状况下加速度为0.4g拱顶测点的响应时程曲线(图4)。

图4 加速度时程曲线

表2 测点加速度响应峰值

2.1 上覆岩层类型对衬砌动力响应的影响

在不同上覆岩层类型的情况下, 衬砌上各个测点的加速度放大系数变化趋势如图5所示。由图5可知, 在激振波峰值为0.1g、0.2g与0.4g的工况下, 衬砌上各测点的放大系数均大于1。Ⅴ类上覆岩层状况下, 在衬砌拱脚处的加速度放大系数小于1, 其余各测点也均大于1。因此, 不同上覆岩层对衬砌加速度动力响应有放大效应, 且Ⅱ类上覆岩层放大效应最明显。Ⅴ类上覆岩层影响最小。在Ⅰ～Ⅲ类上覆岩层状况下, 衬砌的加速度放大系数变化趋势不是太剧烈, 而Ⅳ与Ⅴ类上覆岩层状况下, 变化趋势剧烈, 总体呈现先增加再减小的趋势, 在拱顶处加速度放大系数达到最大。其原因是在围岩条件较好的情况下, 岩体强度较高, 强震对围岩的破坏作用较小, 因此衬砌各个测点处的加速度响应较大。而围岩条件较差时, 地震对围岩的破坏作用较大, 围岩起到了吸振的作用, 因此衬砌测点处加速度响应较小, 但围岩对隧道结构的约束力较小, 隧道衬砌易在地震中破坏。由此可知, 围岩条件越好, 隧道抗震性能越好。在软弱围岩中修建隧道, 可考虑对软弱围岩进行注浆、锚杆加固等措施提高围岩的强度, 增强隧道的抗震性能。

图5 围岩类型对加速度放大系数的影响

2.2 加载波峰值对衬砌动力响应的影响

为探讨不同上覆岩层类型对衬砌动力响应的影响, 采用不同的加速度峰值进行数值模拟, 在不同加速度峰值状况下, 得到了衬砌上各个测点的加速度放大系数变化趋势(图6)。

图6 加速度峰值对加速度放大系数的影响

在Ⅰ～Ⅲ类上覆岩层的状况下, 0.2g的加速度峰值对衬砌加速度放大系数的影响作用最大, 0.1g次之, 0.4g最小。在Ⅳ与Ⅴ类上覆岩层状况下, 0.1g、0.2g和0.4g三个工况下, 各个测点的加速度放大系数较为接近, 图形整体呈现倒“Ⅴ”形的变化趋势。加速度峰值对衬砌加速度放大系数影响较小, 加速度峰值的大小不是影响隧道动力响应大小的主要原因。

3 结论

使用Midas NX有限元数值模拟软件, 建立浅埋隧道数值模型并对模型进行模态分析和非线性时程分析, 得到如下结论:

(1) 在Ⅰ～Ⅴ类上覆岩层状况下, 衬砌上各测点的放大系数均大于1。不同上覆岩层对衬砌加速度动力响应均有放大效应, 且Ⅱ类上覆岩层最明显。在Ⅰ～Ⅲ类上覆岩层状况下, 衬砌的加速度放大系数变化趋势不是太剧烈, 而Ⅳ与Ⅴ类上覆岩层状况下, 变化趋势剧烈。可得到隧道地震响应特性受到围岩类型的影响, 围岩条件越好, 隧道抗震性能越好。

(2) 在Ⅰ～Ⅲ类上覆岩层的状况下, 0.2g的加速度峰值对衬砌加速度放大系数的影响作用最大。在Ⅳ与Ⅴ类上覆岩层状况下, 各个测点的加速度放大系数较为接近, 加速度峰值的大小不是影响隧道动力响应大小的主要原因。

[1] 马建, 孙守增, 赵文义, 等. 中国隧道工程学术研究综述2015[J]. 中国公路学报, 2015, 28(5): 1–65.

[2] 李林, 何川, 耿萍, 等. 隧道地震响应振动台实验及动力时程分析[J]. 土木工程与管理学报, 2011, 28(3): 359–365.

[3] 何川, 李林, 张景, 等. 隧道穿越断层破碎带震害机理研究[J]. 岩土工程学报, 2014, 36(3): 427–434.

[4] 王帅帅, 高波, 周裕, 等. 隧道洞口含软弱夹层仰坡振动台试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2015, 34(z1): 2 699– 2 705.

[5] 丁祖德, 谢洪涛, 彭立敏. 高速铁路隧道基底软岩动力响应特性分析[J]. 昆明理工大学学报(自然科学版), 2013, 38(3): 36–41.

[6] 王祥秋, 杨林德, 高文华. 复杂围岩隧道洞口段动力响应特性分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2005, 24(24): 4 461– 4 465.

[7] JTG D70-2004公路隧道设计规范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2004.

[8] Lysmer J, Kuhlemeyer R L. Finite dynamic model for infinite media [J]. Journal of the Engineering Mechanics, ASCE, 1969, 95: 859–877.

[9] Deeks A J, Randolph M F. Axisymmetric time-domain transmitting boundaries [J]. Journal of Engineering Mechanics, 1994, 120(1): 25–42.

[10] 刘晶波, 吕彦东. 结构—地基动力相互作用问题分析的一种直接方法[J]. 土木工程学报, 1998, 31(3): 55–64.

(责任编校:刘刚毅)

Dynamic response characteristics study of shallow buried tunnel based on different overlying rock

Wang Feifei, Niu Jiayong, Wang Xueyi, Bao Jiamiao

(School of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry and Technology, Changsha, 410004, China; Institute of Geotechnical Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China)

The Midas NX finite element numerical simulation software is used to simulate the nonlinear time history analysis of numerical model of shallow buried tunnel. Under the condition of different overlying rock, the influence of type of overlying rock and peak value of seismic wave on acceleration response of shallow buried tunnel is studied. Results show that under the condition of Ⅰto Ⅴ range of overlying rock, the acceleration amplification factor of lining is larger than the 1. The acceleration dynamic response of the lining is enlarged with different overlying rock. The better the condition of surrounding rock, the better the seismic performance of the tunnel. Under the condition of Ⅰto Ⅲ range of overlying rock, influence of excitation peak on dynamic response of the tunnel is larger than the condition of Ⅳ and Ⅴ range of overlying rock.

tunneling engineering; numerical simulation; overlying rock; acceleration dynamic response

10.3969/j.issn.1672–6146.2016.04.012

U 45

1672–6146(2016)04–0049–05

王飞飞, 1942016362@qq.com。

2016–03–15