雷 浩, 吳紅剛, 孟慶一, 何長江, 李德柱
(1. 蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070; 2. 中鐵西北科學(xué)研究院有限公司, 甘肅 蘭州 730070; 3. 中鐵九局集團(tuán)有限公司大連分公司, 遼寧 大連 116031)
由于受到圍巖的約束,在地震作用下隧道及地下工程的動(dòng)力響應(yīng)較其他結(jié)構(gòu)而言存在較大差異[1]。許多大地震發(fā)生后,對大量隧道結(jié)構(gòu)造成了不同程度的損壞,眾多學(xué)者對隧道工程在地震荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)問題有不同的見解[2-4]。立體交叉隧道由于其特殊性,在地震荷載作用下同一時(shí)刻往往受到入射、反射、繞射等多種地震波的相互影響[5],發(fā)生地震破壞時(shí)將會(huì)影響整條線路。因此,對立體交叉隧道在地震荷載下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行研究顯得尤為重要。
在隧道結(jié)構(gòu)的抗震性能研究中,國內(nèi)外學(xué)者目前主要集中于單線隧道及地鐵隧道的動(dòng)力響應(yīng)[6-12],而對于立體交叉隧道的動(dòng)力響應(yīng)研究較少,且研究手段以理論分析及數(shù)值模擬為主。在數(shù)值模擬方面,文獻(xiàn)[13-14]采用有限單元法和Newmark直接積分法分別研究了在淺埋及軟土地基中立體交叉隧道的地震動(dòng)力響應(yīng),結(jié)果表明立體交叉隧道中最大變形量及加速度都出現(xiàn)在上部隧道拱頂位置處; 朱正國等[15]對影響交叉隧道動(dòng)力響應(yīng)的不同因素進(jìn)行研究,通過數(shù)值模擬得到地震作用對交叉隧道影響敏感性大小依次為圍巖級別、隧道凈距和隧道埋深。在關(guān)于立體交叉隧道振動(dòng)臺試驗(yàn)方面,Chen等[16]采用石膏隧道模型對重疊隧道開展了大型的振動(dòng)臺試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明隧道模型結(jié)構(gòu)兩側(cè)的峰值應(yīng)變和損傷程度沿高度呈“S”形分布,此外地震反應(yīng)在隧道各部位均表現(xiàn)出顯著的空間效應(yīng); 牌立芳等[17]對立體交叉隧道的地震動(dòng)力響應(yīng)特性進(jìn)行了初步分析,得到了立體交叉下穿隧道的加速度和應(yīng)變響應(yīng),研究結(jié)果表明隧道拱頂為地震荷載作用下的薄弱環(huán)節(jié)。
當(dāng)前對于立體交叉隧道的研究在理論分析及數(shù)值模擬方面較為廣泛,而開展試驗(yàn)較少,同時(shí)針對立體交叉隧道在地震荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性研究還未取得實(shí)質(zhì)性突破[18]。因此,為了研究立體交叉隧道的動(dòng)力響應(yīng),通過大型振動(dòng)臺試驗(yàn),在加載X單向及XZ雙向El-Centro波時(shí),對斜交型立體隧道中上跨和下穿隧道及交叉區(qū)段坡體內(nèi)部加速度峰值的分布規(guī)律進(jìn)行研究,以期為此類立體交叉隧道的抗震設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)試驗(yàn)參考。
盤道嶺隧道[19]位于遼寧省丹東市振興區(qū),全長4 870 m,為單線隧道,隧道內(nèi)埋深17~106 m; 草莓溝1#隧道位于遼寧省丹東市草莓溝村,全長3 205 m,為單洞雙線隧道,洞身最大埋深約105 m。草莓溝1#隧道在DK250+865~+915處上跨盤道嶺隧道,相交處軌面高差為14.19 m,結(jié)構(gòu)凈距為4.24 m,其交叉段空間位置如圖1所示。
圖1 立體交叉隧道示意圖
通過TRT6000超前地質(zhì)探測器來預(yù)測交叉影響區(qū)的地質(zhì)條件,發(fā)現(xiàn)交叉區(qū)段圍巖主要由不同風(fēng)化程度的混合花崗巖組成,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體呈碎塊狀及塊狀。圍巖中的波速vs為1 000 m/s,vp為2 600 m/s,根據(jù)相關(guān)圍巖劃分標(biāo)準(zhǔn)交叉區(qū)段圍巖為Ⅳ級圍巖。根據(jù)GB 18306—2015《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》,場地區(qū)域?qū)儆冖骷壔镜卣鹆叶确秶鷥?nèi),可能發(fā)生破壞性地震。因此,對該場地進(jìn)行相應(yīng)的地震響應(yīng)模型試驗(yàn)是十分有必要的。
本次振動(dòng)臺試驗(yàn)綜合考慮隧道埋深、斷面尺寸及振動(dòng)臺尺寸等,并結(jié)合結(jié)構(gòu)在地震作用下應(yīng)考慮的相關(guān)參數(shù),分別取長度、密度、彈性模量的相似參數(shù)Cl=1/50、Cρ=1/1.0、CE=1/30為基本參數(shù)。根據(jù)相似原理可以推導(dǎo)出其他相似關(guān)系[20],具體推導(dǎo)如表1所示。
對于圍巖相似材料的選擇,參考丁祖德等[21]對Ⅳ級圍巖相似材料的研究,并考慮實(shí)際材料的經(jīng)濟(jì)性及可行性,本次試驗(yàn)以Ⅳ級圍巖為例,材料主要選取水泥、粗砂、水、土等。采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法及室內(nèi)試驗(yàn)[22],為了提高效率每次只進(jìn)行單一參量的改變,共設(shè)計(jì)了5組配比試驗(yàn),具體配比及其力學(xué)參數(shù)如表2所示。
表1 相似參數(shù)設(shè)計(jì)
表2 相似材料配比正交設(shè)計(jì)
經(jīng)過上述正交試驗(yàn)及相似換算,可以看出方案4(水泥∶粗砂∶土∶水=0.5∶12∶5∶2)相似材料的變形模量E、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ及密度ρ等都滿足Ⅳ級圍巖的相似比; 另外采用石膏∶石英砂∶水=1∶1.5∶2來模擬隧道襯砌,其相似關(guān)系也都滿足相似設(shè)計(jì)。
本次振動(dòng)臺試驗(yàn)在甘肅省地震局黃土地震工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)室采用VPS-600ES-2雙向(X向、Z向)振動(dòng)臺,振動(dòng)臺尺寸為4 m×6 m,最大負(fù)荷量為250 kN,工作頻率為0.1~50.0 Hz,最大位移X向?yàn)?50 mm,Z向?yàn)?00 mm,如圖2所示。
圖2 振動(dòng)臺系統(tǒng)
為了同時(shí)分析不同交叉形式立體隧道的響應(yīng),試驗(yàn)設(shè)計(jì)為左右2幅,左幅為正交型立體交叉隧道,右幅為斜交型立體交叉隧道。本文僅對右幅斜交型立體交叉隧道進(jìn)行分析,左幅立體交叉隧道響應(yīng)將在其他文章進(jìn)行敘述。
試驗(yàn)中將隧道模型的初期支護(hù)與二次襯砌視作整體結(jié)構(gòu)(下文簡稱襯砌結(jié)構(gòu)),同時(shí)在隧道洞口兩端分別放置1層厚30 mm聚苯乙烯塑料泡沫板,用以消除箱體側(cè)壁的約束,以防隧道由于箱體原因而產(chǎn)生振動(dòng)。隧道模型如圖3(a)所示。
振動(dòng)臺模型箱是由有機(jī)玻璃、U型鋼及聚苯乙烯塑料泡沫板組成頂面敞開的可視化箱體,設(shè)計(jì)尺寸為2.8 m×1.4 m×1.8 m,如圖3(b)所示。為了減小試驗(yàn)中模型的邊界效應(yīng),采取了以下措施: 1)在模型箱水平振動(dòng)方向兩側(cè)內(nèi)壁加1層50 mm厚的高強(qiáng)度聚苯乙烯塑料泡沫板以減小振動(dòng)波的反射; 2)為減少模型箱側(cè)壁摩擦,在試驗(yàn)箱兩側(cè)均勻涂抹凡士林并在箱底鋪設(shè)粗砂材料,將其處理成摩擦邊界,以減小箱底和土體的相對位移。經(jīng)過驗(yàn)證,模型箱的邊界效應(yīng)基本在可接受誤差范圍內(nèi)。布置完成的試驗(yàn)?zāi)P腿鐖D3(c)所示。兩隧道空間中以小角度斜交,交角為20°,根據(jù)幾何相似比1∶50,模型中兩隧道的凈間距為8 cm。為了便于敘述,下文將草莓溝1#隧道稱為上跨隧道,盤道嶺隧道稱為下穿隧道。
本次試驗(yàn)主要研究模型箱右幅斜交型立體交叉隧道影響區(qū)段、圍巖及坡體內(nèi)部的動(dòng)力響應(yīng)特性,所以主要在隧道拱頂及仰拱軸向、兩隧道交叉影響段及坡體內(nèi)部共布設(shè)16個(gè)加速度傳感器。具體加速度傳感器布設(shè)方式(見圖4)如下:
1)分別以上跨和下穿隧道交叉中線斷面的拱頂及仰拱為中心,沿軸向在中心及兩側(cè)各布設(shè)1個(gè)加速度傳感器,其布設(shè)間距取30 cm(上跨及下穿隧道分別以SA和XA編號,且交叉中心斷面為Ⅰ、Ⅰ′,影響區(qū)段兩側(cè)斷面為Ⅱ、Ⅲ及Ⅱ′、Ⅲ′)。
2)在兩隧道交叉段中線位置沿豎向布置1個(gè)加速度傳感器,由于2隧道凈間距為8 cm,此處傳感器間距取4 cm。
3)在上跨隧道拱頂沿交叉中心斷面豎向布設(shè)2個(gè)加速度傳感器,下穿隧道仰拱底沿交叉中心斷面豎向布設(shè)1個(gè)加速度傳感器,為了與隧道交叉段形成對比,此處布設(shè)間取10 cm(交叉段及坡體內(nèi)部以PA編號)。
(a) 隧道模型
(a) 傳感器布置方式
試驗(yàn)中主要輸入的地震波為正弦波及El-Centro波,加載方向主要為X向(水平向)及XZ雙向耦合(水平-豎直雙向)。對其臺面所輸入的El-Centro波進(jìn)行0.5~40 Hz帶通濾波后,其地震波的加速度時(shí)程曲線如圖5所示。同時(shí)在試驗(yàn)開始前、結(jié)束后及每次改變輸入地震波幅值大小時(shí),都輸入0.05g的正弦波進(jìn)行掃頻來測試系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)情況[23]。加載工況如圖6所示。
圖5 El-Centro波加速度時(shí)程曲線
圖6 地震波加載工況圖
2.1.1 上跨隧道加速度峰值分布
在加載X向El-Centro波時(shí),為了對比隧道拱頂及仰拱軸向加速度在同一工況下的不同動(dòng)力響應(yīng),將拱頂及仰拱結(jié)果繪制在同一圖中。其中下軸及上軸分別表示仰拱及拱頂?shù)臏y試斷面位置,而左軸及右軸分別為仰拱及拱頂?shù)募铀俣确逯捣植?,繪制其加速度峰值分布,如圖7所示。
圖7 X向上跨隧道加速度峰值分布
由圖7可知,上跨隧道軸向加速度峰值分布及變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性: 隨著加載工況的增大,各測試斷面位置處的加速度峰值隨之增大; 對于上跨隧道拱頂,交叉段中心Ⅰ號斷面處加速度峰值最大,影響區(qū)段兩側(cè)Ⅱ、Ⅲ號斷面加速度峰值基本相等,近似呈“拋物線”分布; 而對于上跨隧道仰拱,交叉段中心Ⅰ號斷面處加速度峰值減小,其大小依次為: Ⅱ號斷面<Ⅰ號斷面<Ⅲ號斷面,近似呈“斜直線”分布; 同時(shí)也可以看出,Ⅰ號斷面仰拱處加速度峰值明顯小于拱頂處,較其他2個(gè)斷面變化較大。以0.4gEl波工況為例,Ⅰ號斷面拱頂峰值加速度為仰拱處的1.43倍,而Ⅱ、Ⅲ號斷面拱頂峰值加速度分別為仰拱處的91%、95%。這是由于上跨隧道埋深較淺,拱頂對地震波的吸收較少,其加速度響應(yīng)較為強(qiáng)烈; 而隧道仰拱由于下穿隧道的存在,使土體擠壓,使仰拱處土體更為緊密,從而對地震波吸收明顯,使仰拱處的加速度有明顯減小。
為了更加明顯地表達(dá)不同工況下隧道拱頂及仰拱的變化趨勢,以0.1gEl波工況為基準(zhǔn),分析其他工況下的加速度放大系數(shù),其中0.1gEl波工況下Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號斷面拱頂(仰拱)的加速度峰值分別為2.33、0.79、0.84 m/s2(0.95、0.83、1.36 m/s2),結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出,拱頂處各個(gè)斷面加速度峰值隨加載工況變化較為敏感,容易成為整條線路的抗震薄弱環(huán)節(jié); 而仰拱處各個(gè)斷面的變化較為平穩(wěn),且在0.2g~0.4g加速度放大效應(yīng)增幅較小,加速度放大系數(shù)最大為2.55,而在0.4g以后其放大系數(shù)出現(xiàn)了明顯的突增,最大達(dá)5.01。
由于交叉區(qū)段為重點(diǎn)研究對象,所以同時(shí)也分析了交叉段中心Ⅰ號斷面仰拱處(SA5測點(diǎn))在不同加載工況下的加速度時(shí)程曲線,如圖9所示。通過時(shí)程曲線也可以看出,隨著加載El波幅值的增大,上跨隧道仰拱處加速度響應(yīng)越強(qiáng)烈。在加載0.1g~0.6gEl波時(shí),其峰值加速度分別為0.95、1.78、2.39、3.06、4.75 m/s2,且加速度峰值基本出現(xiàn)在加載后20~40 s。
圖8 X向上跨隧道加速度峰值放大系數(shù)
(a) 0.05g正弦掃頻
2.1.2 下穿隧道加速度峰值分布
對下穿隧道拱頂及仰拱軸向加速度峰值進(jìn)行同樣分析,以上下橫軸為拱頂及仰拱的不同斷面位置,左右縱軸為加速度峰值,繪制其加速度峰值分布,如圖10所示。
圖10 X向下穿隧道加速度峰值分布
由圖10可知: 下穿隧道軸向加速度峰值分布也呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性: 隨著加載工況的增大,各測試斷面位置處的加速度峰值隨之增大;對于下穿隧道拱頂,交叉段中心Ⅰ′號斷面處加速度峰值最大,其次為影響區(qū)段Ⅲ′號斷面,Ⅱ′號斷面加速度峰值最小,且同一工況下不同斷面處的分布也近似呈“拋物線”分布; 對于下穿隧道仰拱,交叉段中心Ⅰ′號斷面處加速度峰值最小,影響區(qū)段兩側(cè)Ⅱ′、Ⅲ′號斷面處加速度峰值基本相等,且同一工況下不同斷面處加速度峰值變化不大; 這也說明在地震過程中受到圍巖等的擠壓, 隧道拱頂外側(cè)的振動(dòng)往往更劇烈,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注拱頂外側(cè)的抗震設(shè)計(jì)。
為了更加明顯地表達(dá)不同工況下隧道拱頂及仰拱的變化趨勢,以0.1gEl波工況為基準(zhǔn),分析其他工況下的加速度放大系數(shù),其中0.1gEl波工況下Ⅰ′、Ⅱ′、Ⅲ′號斷面拱頂(仰拱)的加速度峰值分別為3.94、0.78、0.94 m/s2(0.77、0.93、0.90 m/s2),結(jié)果如圖11所示。由圖可以看出,交叉段中心Ⅰ′號斷面拱頂處加速度峰值變化基本不大,各工況下其放大系數(shù)在1.0附近徘徊,這是由于結(jié)構(gòu)模型在試驗(yàn)過程中逐漸產(chǎn)生損傷,剛度降低,變形能力增強(qiáng),耗能能力增強(qiáng),使得其加速度放大系數(shù)相對較低。
同時(shí)也分析了交叉段中心Ⅰ′號斷面拱頂處(XA2測點(diǎn))在不同加載工況下的加速度時(shí)程曲線,如圖12所示。通過時(shí)程曲線也可以看出,隨著加載El波幅值的增大,下穿隧道拱頂處加速度響應(yīng)變化較為平穩(wěn)。在加載0.1g~0.6gEl波時(shí),其峰值加速度分別為4.04、3.94、4.02、4.12、4.20 m/s2且加速度峰值基本出現(xiàn)在加載后20~40 s。
圖11 X向下穿隧道加速度峰值放大系數(shù)
2.1.3 坡體內(nèi)部加速度峰值分布
為了對比坡體內(nèi)部有無隧道部位加速度響應(yīng)的異同,沿隧道交叉段豎向中線位置進(jìn)行分析,即坡體內(nèi)部豎向中心線PA1~PA4測點(diǎn)。其加速度峰值分布如圖13所示。
由圖13可知,坡體內(nèi)部各測點(diǎn)(除兩隧道交叉中心段測點(diǎn)PA3外)加速度峰值沿高程存在放大效應(yīng); 且在同一工況下,交叉中心段測點(diǎn)PA3的加速度峰值均大于坡體其他部位; 同時(shí)可以看出在輸入El波峰值為0.1g~0.3g時(shí),其放大效應(yīng)不明顯,而在0.3g以后,其沿高程放大效應(yīng)較為明顯; 以PA4測點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn),在工況0.4g及0.6g時(shí),可以得出PA2及PA1測點(diǎn)加速度放大系數(shù)分別為1.05、1.16及1.07、1.23,即加速度放大系數(shù)在坡底處較小,而在坡頂處較大。
(a) 0.05g正弦掃頻
2.2.1 上跨隧道加速度峰值分布
在加載XZ耦合雙向El-Centro波時(shí),上跨隧道軸向加速度峰值分布如圖14所示。
XZ雙向耦合加載時(shí)上跨隧道軸向加速度峰值分布及變化與X向加載時(shí)的規(guī)律性基本相似: 上跨隧道拱頂處加速度峰值近似呈“拋物線”分布; 仰拱處加速度峰值在同一工況下由Ⅱ、Ⅰ、Ⅲ號斷面逐漸增加,近似呈“斜直線”分布。另外可以看出,交叉段中心Ⅰ號斷面仰拱處加速度峰值明顯小于拱頂處,且在各工況下同一斷面測點(diǎn)處其加速度峰值都大于X向加載。
同理,以0.1gEl波工況為基準(zhǔn),分析其他工況下的加速度放大系數(shù),其中0.1gEl波工況下Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號斷面拱頂(仰拱)的加速度峰值分別為3.81、0.63、0.86 m/s2(1.05、0.92、1.92 m/s2),結(jié)果如圖15所示。
圖13 X向坡體內(nèi)部加速度峰值及其放大系數(shù)分布
圖14 XZ向上跨隧道軸向加速度峰值分布
圖15 XZ向上跨隧道加速度峰值放大系數(shù)
由圖15可以看出,各工況下Ⅰ號斷面拱頂處的加速度放大系數(shù)最小,而其次隧道仰拱處,從地震波傳遞的角度來考慮,由于結(jié)構(gòu)地震作用是由模型箱底部傳遞到隧道仰拱—拱頂, 這也是導(dǎo)致這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因之一。且在0.2g~0.4g加速度放大效應(yīng)增幅較小,加速度放大系數(shù)最大為3.33; 而在0.4g以后其加速度放大系數(shù)出現(xiàn)了明顯的突增,最大達(dá)到6.93。
為了能夠更加詳細(xì)地表現(xiàn)El波在XZ耦合雙向加載時(shí)加速度的動(dòng)力響應(yīng),對交叉段中心Ⅰ號斷面仰拱處(SA5測點(diǎn))在不同加載工況下的加速度峰值進(jìn)行了分析,如表3所示。由表3可以看出,隨著加載El波幅值的增大,上跨隧道仰拱處加速度響應(yīng)也越強(qiáng)烈。在加載0.1g~0.6gEl波時(shí),其峰值加速度分別為1.05、2.33、3.29、4.39、6.85 m/s2,且峰值加速度基本出現(xiàn)在加載后20~50 s。
表3 XZ向上跨隧道仰拱處(SA5測點(diǎn))加速度峰值
2.2.2 下穿隧道加速度峰值分布
在加載XZ耦合雙向El-Centro波時(shí),下穿隧道具體加速度峰值分布如圖16所示。
由圖16可知,在XZ雙向加載時(shí),下穿隧道軸向加速度峰值分布與X單向加載時(shí)呈現(xiàn)出相同的規(guī)律: 對于下穿隧道拱頂,交叉段中心Ⅰ′號斷面處加速度峰值最大,其次為影響區(qū)段Ⅱ′號、Ⅲ′號斷面,且同一工況下不同斷面處的分布也近似呈“拋物線”分布; 而對于下穿隧道仰拱,交叉段中心Ⅰ′號斷面處加速度峰值最小,影響區(qū)段兩側(cè)Ⅱ′、Ⅲ′號斷面處加速度峰值基本相等,且同一工況下不同斷面處加速度峰值變化不大; 在0.1g~0.4g工況下,各斷面拱頂處的加速度峰值均大于仰拱,而在0.4g~0.6g工況下,Ⅱ′及Ⅲ′斷面拱頂處的加速度峰值小于仰拱。
以0.1gEl波工況為基準(zhǔn),分析其他工況下的加速度放大系數(shù),其中0.1gEl波工況下Ⅰ′、Ⅱ′、Ⅲ′號斷面拱頂(仰拱)的加速度峰值分別為5.94、0.84、1.18 m/s2(0.96、1.04、0.97 m/s2),結(jié)果如圖17所示。
圖16 XZ向下穿隧道軸向加速度峰值分布
圖17 XZ向下穿隧道加速度峰值放大系數(shù)
由圖17可以看出,各工況下各斷面測點(diǎn)呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性,其加速度放大系數(shù)由大至小依次為: Ⅱ′號拱頂>Ⅲ′號仰拱>Ⅱ′號仰拱>Ⅰ′號仰拱>Ⅲ′號拱頂>Ⅰ′號拱頂; 且在0.2g~0.4g加速度放大效應(yīng)增幅較小,加速度放大系數(shù)最大僅為3.30,而在0.4g以后其加速度放大系數(shù)出現(xiàn)了明顯的突增,最大達(dá)到了7.02。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是: 地震響應(yīng)的增大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度減小,致使其對隧道的作用有所增大,從而導(dǎo)致峰值加速度響應(yīng)突變。
為了能夠更加詳細(xì)地表現(xiàn)El波在XZ耦合雙向加載時(shí)加速度的動(dòng)力響應(yīng),對交叉段中心Ⅰ′號斷面拱頂處(XA2測點(diǎn))在不同加載工況下的加速度峰值進(jìn)行了分析,如表4所示。由表4可以看出,隨著加載El波幅值的增大,下穿隧道拱頂處加速度響應(yīng)變化不大; 在加載0.1g~0.6gEl波時(shí),其峰值加速度分別為5.90、5.94、5.86、5.97、6.00 m/s2,且峰值加速度基本出現(xiàn)在加載后30~40 s。
表4 XZ向下穿隧道拱頂處(XA2測點(diǎn))加速度峰值
2.2.3 坡體內(nèi)部加速度峰值分布
為了對比坡體內(nèi)部有無隧道部位加速度響應(yīng)的異同,對隧道交叉段豎向中線位置進(jìn)行分析,即坡體內(nèi)部豎向中心線PA1~PA4測點(diǎn)。其加速度峰值分布如圖18所示。
圖18 XZ向坡體內(nèi)部加速度峰值及其放大系數(shù)分布
由圖18可知,坡體內(nèi)部各測點(diǎn)(除在工況0.2gEl波外)加速度峰值沿高程存在放大效應(yīng); 在輸入El波峰值較小時(shí),其放大效應(yīng)不明顯,而在工況0.4g~0.6gEl波時(shí),其放大效應(yīng)較為明顯; 以PA4測點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn),在工況0.4g及0.6g時(shí),可以得出PA3、PA2、PA1測點(diǎn)的加速度放大系數(shù)分別為1.01、1.05、1.10及1.02、1.05、1.12倍。加速度放大系數(shù)在埋深較淺處較大,與高峰等[24]在研究不同埋深單一隧道的地震響應(yīng)時(shí),所得出加速度放大系數(shù)隨著埋深的增大逐漸減小的理論相吻合。同時(shí)也可以看出,坡體內(nèi)部在XZ向加載時(shí)各工況下加速度響應(yīng)均大于X單向加載時(shí)。
為了探究不同加載方式下隧道主要位置(拱頂及仰拱)的響應(yīng)特征,選取斷面Ⅰ及Ⅰ′的拱頂、仰拱及交叉段的典型測點(diǎn)SA2、SA5、PA3、XA2、XA5對由于加載方向不同而帶來的差異性進(jìn)行分析。具體如圖19所示。
圖19 不同加載方式下隧道各位置的加速度響應(yīng)
由圖19可以看出,在加載X單向及XZ雙向El波時(shí),立體交叉隧道的動(dòng)力響應(yīng)表現(xiàn)出的規(guī)律基本一致: 在隧道的拱頂處其加速度響應(yīng)較大,且下穿隧道拱頂由于疊加效應(yīng),其地震響應(yīng)最大; 而仰拱處的加速度響應(yīng)相較于拱頂較小,且下穿隧道仰拱由于圍巖對地震波的吸收作用較強(qiáng),其加速度峰值最小。由此表明,立體交叉隧道拱頂?shù)卣痦憫?yīng)較為強(qiáng)烈,易成為立體交叉隧道抗震的薄弱環(huán)節(jié)。
為了更加清晰地表達(dá)加載X單向及XZ向時(shí)測點(diǎn)加速度響應(yīng)的異同,提取出0.1g~0.6g工況下各測點(diǎn)的加速度峰值,并定義加速度比率
(1)
式中:axz為xz方向加載;ax為x方向加載。
即在同一工況下加載XZ雙向與X單向地震波時(shí)測點(diǎn)加速度峰值的比值,計(jì)算出各工況下Δa的值如表5所示。
表5 同一工況下隧道各位置的加速度比率
由表5可知,在加載XZ雙向地震波時(shí),其同一測點(diǎn)在不同工況下的動(dòng)力響應(yīng)相較于只加載X單向時(shí)也顯著增加; 在0.1g~0.3g時(shí)這種增長現(xiàn)象較為緩慢,而在0.4g~0.6g時(shí)變化幅度較大。以SA5為例,在加載0.1g~0.6g X向及XZ向地震波時(shí)其加速度峰值分別為0.95、1.78、2.42、3.10、4.75m/s2及1.05、2.33、3.29、4.39、6.85m/s2,對應(yīng)加速度比率Δa分別為1.10、1.30、1.35、1.42、1.44,表明XZ雙向耦合高地震烈度El波對于立體交叉隧道結(jié)構(gòu)更為敏感。
此外,由表5還可以看出立體交叉隧道仰拱處的加速度比率Δa基本都大于拱頂處,說明地震波加載方向的改變對仰拱處地震響應(yīng)產(chǎn)生更大的影響,而坡體內(nèi)部加速度響應(yīng)受到地震波加載方向的影響相對較小。
通過立體交叉隧道振動(dòng)臺試驗(yàn),分別研究了加載X單向及XZ雙向El波時(shí),上跨和下穿隧道及交叉區(qū)段坡體內(nèi)部加速度峰值的分布規(guī)律,得到以下結(jié)論:
1)上跨隧道拱頂加速度峰值在交叉段中心斷面處最大,影響區(qū)段兩側(cè)斷面加速度峰值基本相等,呈現(xiàn)出“拋物線”分布,表明拱頂易成為立體交叉隧道抗震的薄弱環(huán)節(jié); 由于下穿隧道的存在限制了上跨隧道仰拱處的變形,對上跨隧道仰拱交叉段中心斷面處地震響應(yīng)有明顯的削弱作用。
2)對于立體交叉隧道工程而言,拱頂破壞模式表現(xiàn)為交叉區(qū)段中心斷面—影響區(qū)段兩側(cè)斷面的傳遞演化形式,而仰拱的地震響應(yīng)正好與之相反,即影響區(qū)段兩側(cè)斷面>交叉區(qū)段中心斷面。
3)由于立體交叉隧道在地震波作用下兩隧道之間往往會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的反射及折射現(xiàn)象,坡體內(nèi)部交叉中心段的加速度響應(yīng)存在疊加效應(yīng),表現(xiàn)最為強(qiáng)烈。同時(shí)坡體內(nèi)部各測點(diǎn)加速度峰值沿高程存在著放大效應(yīng),且加速度放大系數(shù)隨著測點(diǎn)埋深的增大而逐漸減小。
4)在輸入XZ雙向El波時(shí),其同一測點(diǎn)在不同工況下的動(dòng)力響應(yīng)相較于只加載X單向時(shí)較為顯著,且在0.1g~0.3g時(shí)這種增長現(xiàn)象較為緩慢,而在0.4g~0.6g時(shí)變化幅度較大。此外,地震波加載方向的改變對仰拱處地震響應(yīng)會(huì)產(chǎn)生更大的影響。
目前僅對斜交型立體交叉隧道的地震動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了初步探索,后續(xù)針對正交型立體交叉隧道的研究及2種不同交叉形式差異的動(dòng)力響應(yīng)還有待更進(jìn)一步研究。