山區(qū)高速公路隧道在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)研究

陳江祝中林（中南林業(yè)科技大學(xué)）

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山區(qū)高速公路隧道在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)研究

陳江祝中林
（中南林業(yè)科技大學(xué)）

【摘要】根據(jù)動(dòng)力有限元原理，利用軟件Midas/GTS對(duì)某一山嶺高速公路隧道邊坡進(jìn)行地震荷載作用下動(dòng)力響應(yīng)分析。獲得了襯砌的加速度響應(yīng)和隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化規(guī)律。結(jié)果表明：地震荷載作用下，襯砌在豎直方向上響應(yīng)加速度具有明顯的高程放大效應(yīng)，由兩側(cè)拱腳向拱頂不斷增大；在水平方向上響應(yīng)加速度由兩側(cè)拱腳到側(cè)拱墻再到拱頂呈先減小后增大的波動(dòng)變化。在地震荷載作用下，襯砌的受力狀態(tài)隨著地震持時(shí)呈復(fù)雜變化，襯砌表面出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中顯現(xiàn)，相比靜力狀態(tài)，地震荷載作用下隧道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)變得更加復(fù)雜，不同時(shí)刻所受的應(yīng)力變化很大。

【關(guān)鍵詞】隧道；動(dòng)力響應(yīng)；數(shù)值模擬；地震

1　引言

我國(guó)位于世界兩大地震帶―環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，受太平洋板塊、印度洋板塊和菲律賓海板塊的擠壓，地震斷裂帶十分活躍，特別是在西部多山地區(qū)。近年來，國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，西部大開發(fā)戰(zhàn)略加速推進(jìn)，眾多高速公路、鐵路客運(yùn)專線在內(nèi)陸地區(qū)開展實(shí)施。受地形特征、工程成本或施工方法等因素的影響，這些工程在建設(shè)過程中經(jīng)常采用隧道、隧洞等工程形式。因此，地震作用下隧道或隧洞的抗震穩(wěn)定性問題一直以來都是工程界和學(xué)者熱點(diǎn)討論的課題。

劉長(zhǎng)江[1]采用有限元軟件ANSYS和抗剪強(qiáng)度折減法，利用時(shí)程分析法進(jìn)行牛頭山黃土隧道的地震穩(wěn)定性分析，獲得了它的地震穩(wěn)定安全系數(shù)，定量估計(jì)該隧道結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)安全儲(chǔ)備情況。王建秀等[2]對(duì)隧道邊坡變形進(jìn)行了三維監(jiān)測(cè)及洞內(nèi)變形監(jiān)測(cè)，確定隧道邊坡三維變形的基本模式。李育樞等[3]用動(dòng)力有限元法研究了偏壓隧道洞口橫向邊坡在水平地震、垂直地震以及水平和垂直地震同時(shí)作用下的全時(shí)程動(dòng)力反應(yīng)規(guī)律。分析隧道在地震作用下的響應(yīng)規(guī)律，探究其抗震穩(wěn)定性和加固措施是實(shí)際工程中迫切需要解決的問題。目前很難對(duì)實(shí)體工程進(jìn)行地震反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)記錄，數(shù)值模擬在邊坡動(dòng)力響應(yīng)研究中表現(xiàn)出突出的優(yōu)勢(shì)。本文利用有限元軟件Midas/GTS對(duì)某山區(qū)高速公路隧道進(jìn)行三維建模，根據(jù)動(dòng)力有限元分析結(jié)果，探討地震荷載作用下隧道的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。

2　動(dòng)力有限元數(shù)值模擬

2.1工程概況

該工程為某一山嶺高速公路隧道穿越邊坡，坡高50m，整體坡度為35°～40°,地處中低山丘陵地貌區(qū)，地形起伏較大。工程地質(zhì)巖層呈層狀構(gòu)造，連接山體的基巖主要為石英塊巖，灰白色青灰色等，中間是軟弱夾巖主要成分為強(qiáng)風(fēng)化白云巖，淺灰白色，上覆碎石土植被較發(fā)育風(fēng)化片麻巖。周圍無水溝深谷，地下水主要儲(chǔ)存于深層基巖裂隙中。因圍巖條件比較好，為了節(jié)約工程成本，在隧道設(shè)計(jì)施工時(shí)沒有做錨桿支護(hù)。巖層的主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。隧道襯砌的計(jì)算參數(shù)如表2所示。

2.2計(jì)算模型

利用GTS的“非線性時(shí)程”求解模塊對(duì)邊坡進(jìn)行動(dòng)力有限元分析，巖體材料采用彈塑性本構(gòu)模型和Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，隧道襯砌采用平面板單元進(jìn)行模擬，為了更好地模擬地震波波動(dòng)能量在邊界上的反射特點(diǎn)，模型四周和底部設(shè)置為粘彈性邊界，頂部為自由場(chǎng)邊界。在巖層分界面處和襯砌周圍進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，共劃分了6032個(gè)節(jié)點(diǎn)8864個(gè)單元。計(jì)算模型如圖1所示。

2.3輸入地震波的選取

在進(jìn)行非線性動(dòng)力分析之前先對(duì)模型進(jìn)行特征值分析，得到模型的前兩階自振周期t1=2.270307s，t2=1.426606s。地震的持續(xù)時(shí)間不同，使得能量的耗散與積累不同，研究中常選取包含地震記錄最強(qiáng)部分的盡量足夠長(zhǎng)的時(shí)間（一般不小于結(jié)構(gòu)的一階自振周期的10倍）作為地震作用時(shí)間。固選用地震反應(yīng)分析中具有代表性的臥龍汶川地震波，調(diào)整加速度峰值為0.2g在基巖底部沿X軸方向輸入。因記錄汶川波整體持時(shí)為100s，所以對(duì)其進(jìn)行了時(shí)間壓縮處理，對(duì)模型作用時(shí)間為14s左右。為了研究地震荷載作用下隧道的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，在襯砌表面設(shè)置相應(yīng)歷程測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過分析各測(cè)點(diǎn)的速度、加速度響應(yīng)規(guī)律以及隧道圍巖應(yīng)力場(chǎng)特征，分析隧道在地震荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，探究其抗震穩(wěn)定性。調(diào)整后的汶川波加速度時(shí)程曲線如圖2所示。襯砌表面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

3　計(jì)算結(jié)果分析

3.1加速度響應(yīng)分析

由加速度產(chǎn)生的地震慣性力是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力、變形和破壞的主要原因。為描述地震作用下邊坡加速度響應(yīng)規(guī)律，定義任意一點(diǎn)動(dòng)力響應(yīng)加速度峰值與坡腳基點(diǎn)的加速度峰值的比值為PGA放大系數(shù)[4]。表3列出了襯砌表面各測(cè)點(diǎn)在汶川波作用下的響應(yīng)加速度峰值。圖4為測(cè)點(diǎn)的加速度放大系數(shù)。

圖1　計(jì)算模型示意圖

表1　巖體材料參數(shù)

表2　襯砌（噴射混凝土）計(jì)算參數(shù)

圖2　汶川波加速度時(shí)程曲線

圖3　監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

分析表3和圖4，可以看出,在地震荷載作用下，襯砌加速度在不同方向上響應(yīng)明顯不同。在豎直方向上響應(yīng)加速度具有明顯的高程放大效應(yīng)，由兩側(cè)拱腳向拱頂不斷增大；在水平方向上響應(yīng)加速度由兩側(cè)拱腳到側(cè)拱墻再到拱頂呈先減小后增大的波動(dòng)變化。由此可以得出在水平地震波作用下，隧道在拱頂和兩側(cè)拱腳處比較脆弱，更加容易受到地震的破壞。從圖4還可以看出加速度的放大系數(shù)表現(xiàn)出一定的對(duì)稱變化關(guān)系，原因可能是隧道的埋深較深，邊坡巖體對(duì)襯砌產(chǎn)生的偏壓效果在較短的地震作用時(shí)間內(nèi)效果不明顯。

表3　測(cè)點(diǎn)加速度響應(yīng)峰值

圖4　各測(cè)點(diǎn)加速度放大系數(shù)

3.2襯砌應(yīng)力響應(yīng)分析

為了了解地震荷載作用下，襯砌的應(yīng)力隨時(shí)間變化的規(guī)律，圖5給出了不同狀態(tài)下襯砌的最大主應(yīng)力云圖，圖6展示了襯砌表面各測(cè)點(diǎn)最大剪應(yīng)力時(shí)程曲線分布情況。

從圖5可以看出，在靜力狀態(tài)下，隧道在兩側(cè)拱腳主要承受拉應(yīng)力為0.73MPa，從拱腳到拱頂隧道受力狀態(tài)由壓應(yīng)力逐漸向拉應(yīng)力過度，在拱頂處承受較大的壓應(yīng)力為0.54MPa。在地震荷載作用下，襯砌的受力狀態(tài)隨著地震持時(shí)呈復(fù)雜變化，襯砌表面出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中顯現(xiàn)。從圖6可以看出，襯砌在地震荷載作用下，不同位置所受的剪切應(yīng)力明顯不同，整體上，隨著地震持時(shí)，剪切應(yīng)力不斷增大，到5.6s左右趨于穩(wěn)定。在拱頂和左側(cè)供肩處，剪切應(yīng)力較大，其次是右側(cè)拱腳處，表明地震作用時(shí)，這些部位容易產(chǎn)生剪切破壞。

圖5　襯砌在不同狀態(tài)下的最大主應(yīng)力云圖

圖6　各測(cè)點(diǎn)最大剪應(yīng)力時(shí)程曲線

3.3隧道圍巖響應(yīng)分析

相比靜力狀態(tài)，地震荷載作用下隧道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)變得更加復(fù)雜，不同時(shí)刻所受的應(yīng)力變化很大。所以，選取具有代表性的時(shí)刻對(duì)隧道的圍巖應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析，研究隧道的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。圖7為靜力狀態(tài)下隧道圍巖的最大主應(yīng)力云圖。圖8為地震作用下隧道圍巖最大主應(yīng)力云圖。

圖7　靜力狀態(tài)下隧道圍巖的最大主應(yīng)力云圖

從圖中可以看出，在靜力狀態(tài)下隧道圍巖在拱底和拱頂處主要受壓應(yīng)力，在拱底中央處達(dá)到最大，兩側(cè)供肩主要承受拉應(yīng)力，在左側(cè)拱腳處拉應(yīng)力明顯增大。在地震荷載作用下，隧道兩側(cè)圍巖的應(yīng)力大小、性質(zhì)隨地震持時(shí)均呈現(xiàn)復(fù)雜變化。表明地震作用時(shí)，圍巖隨時(shí)間變化處于復(fù)雜的應(yīng)力場(chǎng)。

4　結(jié)論

利用GTS提供的動(dòng)力有限元分析模塊對(duì)某一山嶺隧道進(jìn)行地震動(dòng)力計(jì)算，主要分析了地震作用下隧道的加速度、應(yīng)力以及圍巖力場(chǎng)響應(yīng)規(guī)律，得出如下結(jié)論：

⑴地震荷載作用下，襯砌在豎直方向上響應(yīng)加速度具有明顯的高程放大效應(yīng)，由兩側(cè)拱腳向拱頂不斷增大；在水平方向上響應(yīng)加速度由兩側(cè)拱腳到側(cè)拱墻再到拱頂呈先減小后增大的波動(dòng)變化。加速度的放大系數(shù)表現(xiàn)出一定的對(duì)稱變化關(guān)系，原因可能是隧道的埋深較深，邊坡巖體對(duì)對(duì)襯砌產(chǎn)生的偏壓效果在較短的地震作用時(shí)間內(nèi)效果不明顯。

⑵有限元計(jì)算結(jié)果表明，隧道結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)隧地震持時(shí)，相比靜力狀態(tài)呈現(xiàn)復(fù)雜多變的規(guī)律。在水平地震波作用下，隧道在拱頂和兩側(cè)拱腳處比較脆弱，更加容易受到地震的破壞。在拱頂和左側(cè)供肩處，剪切應(yīng)力較大，其次是右側(cè)拱腳處，表明地震作用時(shí)，這些部位容易產(chǎn)生剪切破壞。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉長(zhǎng)江.牛頭山黃土鐵路隧道的地震穩(wěn)定數(shù)值模擬分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2013,9(3):547-551.

[2]王建秀,唐益群,朱合華,等.連拱隧道邊坡變形的三維監(jiān)測(cè)分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(11):2226-2232.

[3]李育樞,高廣運(yùn),李天斌.偏壓隧道洞口邊坡地震動(dòng)力反應(yīng)及穩(wěn)定性分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2006,2(5):738-743.

[4]祁生文,伍法權(quán).巖質(zhì)邊坡動(dòng)力反應(yīng)[M].北京:科學(xué)出版社, 2007.

圖8　地震作用下隧道圍巖的最大主應(yīng)力云圖