隧道地震響應(yīng)特性分析

1斷層破碎帶對(duì)隧道抗震的影響隧道本身的抗疲勞技術(shù)相對(duì)較好，但如果隧道位于斷層破壞帶區(qū)域，受誤差影響，拱效應(yīng)變大，巖壓自氧化物減少或消失，隧道的線性結(jié)構(gòu)受損。這種突然的變位方式通常被限制在一個(gè)狹小的范圍內(nèi),但引起的隧道破壞是災(zāi)難性的。此外,斷層破碎帶常處在地震頻發(fā)區(qū)域,強(qiáng)烈的地殼運(yùn)動(dòng)、地殼應(yīng)變能的釋放與調(diào)整擴(kuò)大了地層斷裂分布的范圍,在圍巖壓力與地震動(dòng)力作用下,隧道襯砌極易產(chǎn)生震害。如,1995年阪神地震中,山陽(yáng)新干線六甲隧道在斷層破碎帶處產(chǎn)生的震害情況較縱向其他部位更為嚴(yán)重(見圖1);1999年臺(tái)灣集集地震中,臺(tái)灣中部距發(fā)震斷層25km范圍內(nèi)就有44座隧道受損,其中嚴(yán)重受損者達(dá)25%,中等受損者25%;2008年5月汶川大地震中,洞身初期支護(hù)和二次襯砌發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞的地段也大多處于穿越斷層破碎帶區(qū)域,如都江堰—汶川(都汶)高速公路隧道中穿越斷層破碎帶的龍池隧道、龍溪隧道和龍洞子隧道等,地震中很多部位發(fā)生了襯砌開裂,嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致錯(cuò)臺(tái)及整體坍塌,如圖2,3所示。針對(duì)穿越斷層破碎帶隧道的抗震問題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究,取得了一些有意義的成果。熊良宵針對(duì)隧道與活斷層的安全距離進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià);王永剛等以華亭—莊浪(華莊)公路關(guān)山隧道為對(duì)象,對(duì)該隧道穿越斷層破碎帶的截面各部位受力及位移狀態(tài)進(jìn)行了記錄和分析,并研究了設(shè)置減震縫對(duì)隧道抗震性能的影響;A.R.Shahidi和M.Vafaeian則通過對(duì)輸水隧道的鉸接設(shè)計(jì)來解決隧道穿越活動(dòng)斷層破碎帶的縱向抗震問題。穿越斷層破碎帶隧道的抗震問題一直是隧道抗震研究的難點(diǎn),其關(guān)鍵在于穿越斷層破碎帶隧道的動(dòng)力響應(yīng)特性不甚明確,無(wú)法采取針對(duì)性的措施進(jìn)行抗震設(shè)防。我國(guó)現(xiàn)行的規(guī)范也僅從定性的方面指出:隧道位于斷層破碎帶時(shí),其襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)予以加強(qiáng)。本文通過動(dòng)力時(shí)程計(jì)算和振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn),得到隧道穿越斷層破碎帶時(shí),其橫斷面和縱斷面方向的動(dòng)力響應(yīng)特性,為穿越斷層破碎帶隧道結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防提供參考。2不同圍巖條件下隧道動(dòng)力響應(yīng)特性采用動(dòng)力時(shí)程計(jì)算方法,通過分析穿越斷層破碎帶隧道在不同圍巖條件下襯砌內(nèi)力分布形態(tài)、以及隧道橫斷面方向和縱斷面方向的內(nèi)力變化規(guī)律,并結(jié)合振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)其動(dòng)力響應(yīng)特性進(jìn)行系統(tǒng)研究。2.1ls-dyna顯式動(dòng)力分析基本思想采用ANSYS/LS-DYNA軟件進(jìn)行三維時(shí)程計(jì)算,LS-DYNA是一個(gè)以顯式為主,隱式為輔的非線性有限元求解器,不形成總體剛度矩陣,彈性項(xiàng)放在內(nèi)力中,避免了反復(fù)更新剛度矩陣并求解線性方程組的計(jì)算成本。LS-DYNA顯式動(dòng)力分析采用中心差分方法,結(jié)構(gòu)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)在第n個(gè)時(shí)間步結(jié)束時(shí)刻tn的加速度向量通過下式計(jì)算:式中:M為結(jié)構(gòu)本身的總體質(zhì)量矩陣;P(tn)為tn時(shí)刻結(jié)構(gòu)上所施加的節(jié)點(diǎn)外力矢量(包括分布載荷經(jīng)轉(zhuǎn)化的等效節(jié)點(diǎn)力);Fint(tn)為tn時(shí)刻的內(nèi)力矢量,它由下面幾項(xiàng)構(gòu)成:式中::tn時(shí)刻單元應(yīng)力場(chǎng)等效節(jié)點(diǎn)力(相當(dāng)于動(dòng)力平衡方程的內(nèi)力項(xiàng)),其中,B為應(yīng)變矩陣,σ為柯西應(yīng)力矢量;Fhg為沙漏阻力(為克服節(jié)點(diǎn)高斯積分引起的沙漏問題而引入的黏性阻力);Fcontact為接觸力矢量。2.2斷層破碎帶模擬研究表明,計(jì)算模型大于5倍洞徑時(shí),邊界的影響較小,隧道洞徑B為6.4m(單線140km/h),橫向?qū)挾热?0m;設(shè)置穿越的斷層破碎帶取為正斷層,與線路接近垂直,傾角約60°,破碎帶寬度為20m,沿隧道縱軸方向長(zhǎng)度為160m,隧道埋深40m。圍巖和斷層破碎帶均采用三維結(jié)構(gòu)實(shí)體單元solid145模擬,物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。襯砌選用三維結(jié)構(gòu)薄殼單元shell163模擬,襯砌參數(shù)為:密度2700kg/m3,彈性模量35GPa,泊松比0.2。通過面與面接觸選項(xiàng)控制斷層破碎帶與相鄰圍巖單元連接的接觸界面。動(dòng)摩擦因數(shù)一般小于靜摩擦因數(shù),并考慮滑動(dòng)速度及輸入地震波頻率對(duì)接觸參數(shù)的影響,接觸面的靜摩擦因數(shù)取0.455,動(dòng)摩擦因數(shù)取0.420。計(jì)算模型如圖4所示。2.3質(zhì)量比例阻尼系數(shù)和剛度比例阻尼系數(shù)采用Rayleigh阻尼,動(dòng)力方程中阻尼矩陣C與剛度矩陣K和質(zhì)量矩陣M的關(guān)系為式中:α,β分別為質(zhì)量比例阻尼系數(shù)和剛度比例阻尼系數(shù)。數(shù)值模擬采用的是有限模型,必須考慮合適的邊界條件,本文計(jì)算中在模型箱四周設(shè)置無(wú)反射邊界,即在邊界之外設(shè)立與域內(nèi)網(wǎng)格相同屬性的單元以模擬無(wú)限域,該單元與無(wú)限域邊界單元之間以彈性及黏性元件相連,以便吸收邊界膨脹波與剪切波的反射能量。2.4地震波激振響應(yīng)值襯砌部位典型位置的確定考慮到在地震波記錄過程中不可避免地會(huì)引入噪音誤差信號(hào),這種誤差經(jīng)過積分計(jì)算后將被放大,從而出現(xiàn)零位漂移現(xiàn)象,因此將汶川地震加速度時(shí)程曲線進(jìn)行基線校正后,以區(qū)域地震基本烈度VIII度(對(duì)應(yīng)峰值加速度0.3g)為例,截取其峰值前、后20s加速度時(shí)程,輸入與隧道洞軸線垂直的橫向地震動(dòng),其加速度時(shí)程曲線及相應(yīng)的傅里葉變換分別如圖5,6所示。為了研究穿越斷層破碎帶隧道的橫向和縱向動(dòng)力響應(yīng)特性,選取典型監(jiān)測(cè)斷面和截面上具有最大內(nèi)力響應(yīng)值的襯砌部位(見圖7(a)),提取地震波激振過程中襯砌結(jié)構(gòu)各個(gè)選定監(jiān)測(cè)截面上典型位置的內(nèi)力時(shí)程。監(jiān)測(cè)截面M1–1~M6–6距離巖體右邊界的實(shí)際距離分別為4.0,16.0,32.0,48.0,64.0,106.4m。各監(jiān)測(cè)截面上隧道洞周監(jiān)測(cè)點(diǎn)D1~D6的位置如圖7(b)所示。3人工輸入地震波由于地震的隨機(jī)性、土–結(jié)構(gòu)相互作用的復(fù)雜性,振動(dòng)臺(tái)模擬試驗(yàn)可以很好地再現(xiàn)地震過程,進(jìn)行人工輸入地震波的控制,是室內(nèi)研究結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)特性最直接的方法。它既能主動(dòng)改變各種影響因素,又可以從不同圍巖級(jí)別、襯砌形式、地震波及地震烈度等多方面深入、細(xì)致地了解圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律,檢驗(yàn)理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果。3.1剛性流體同時(shí)振動(dòng)采用大型三向六自由度振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行模型試驗(yàn)。固定于振動(dòng)臺(tái)上的模型箱采用2個(gè)尺寸完全相同的剛性箱體同時(shí)振動(dòng),以進(jìn)行不同工況的比較。模型箱內(nèi)壁黏貼柔性材料(聚氯苯烯泡沫板)來吸收側(cè)向邊界的地震波,減小模型箱壁的反射效應(yīng),且在模型箱底部黏結(jié)一層碎石,用以增大接觸面上的摩擦阻力,以免激振時(shí)模型土體與底板間發(fā)生相對(duì)滑移,模型箱如圖8所示。3.2相似參數(shù)選取及材料選擇考慮到本振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)M的隧道在地震荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)問題主要在彈性范圍內(nèi),因此滿足彈性相似律即可。根據(jù)Bukingham定理,在線彈性范圍內(nèi)各物理量可表達(dá)為式中:σ,l,E,ρ,t,u,v,a,g,ω分別為動(dòng)應(yīng)力、長(zhǎng)度、彈性模量、密度、時(shí)間、位移、速度、加速度、重力加速度和圓頻率。以長(zhǎng)度l、密度ρ和彈性模量E為基本未知量,根據(jù)量綱分析理論,其他未知量可以用基本未知量來表示,式(4)可通過量綱轉(zhuǎn)換表示為結(jié)合振動(dòng)臺(tái)的尺寸及儀器相關(guān)限定參數(shù),將模型的基礎(chǔ)相似比選為幾何比尺1/40,密度比尺0.85,彈性模量比尺1/100,根據(jù)彈性相似理論推導(dǎo)出時(shí)間、加速度和應(yīng)變的相似比,如表2所示。相似材料的選擇則主要考慮了圍巖的黏聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量和容重、襯砌混凝土的彈性模量等力學(xué)參數(shù),經(jīng)配比試驗(yàn),IV和V級(jí)圍巖及斷層破碎帶的相似材料采用一定比例的重晶石粉、細(xì)石英砂、機(jī)油和粉煤灰等的混合物進(jìn)行模擬;通過多組石膏制樣的彈性模量測(cè)試及室內(nèi)配合比試驗(yàn),本試驗(yàn)采用石膏∶水=1.1∶1的模型模擬隧道襯砌。3.3襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)變片監(jiān)測(cè)對(duì)試驗(yàn)隧道埋深1.0m(實(shí)際埋深40m),單線140km/h(實(shí)際洞徑B=6.4m)隧道沿橫向輸入峰值加速度為0.3g的汶川地震波(見圖5)進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究。與數(shù)值計(jì)算模型的監(jiān)測(cè)截面相對(duì)應(yīng),同時(shí)考慮隧道在橫向地震作用下,隧道結(jié)構(gòu)橫截面內(nèi)力基本呈反對(duì)稱分布,試驗(yàn)僅在襯砌結(jié)構(gòu)對(duì)稱軸以左的典型位置內(nèi)、外兩側(cè)黏貼應(yīng)變片進(jìn)行監(jiān)測(cè),應(yīng)變片的柵長(zhǎng)為3mm×2mm,型號(hào)為BCL120–10AA,并設(shè)置溫度補(bǔ)償片以減小測(cè)試誤差。應(yīng)變片采用1/4橋接橋方式分別黏貼在襯砌拱頂、拱肩、墻角及仰拱中心處,襯砌結(jié)構(gòu)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值利用動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集,如圖9所示。為了有效地利用儀器,同時(shí)考慮多種工況下試驗(yàn)設(shè)備的輸出限制,試驗(yàn)方案根據(jù)不同圍巖條件布置監(jiān)測(cè)斷面S2–2,S3–3,S4–4,相同圍巖條件下,根據(jù)與斷層的距離布置監(jiān)測(cè)斷面S1–1,S2–2,S3–3,如圖10所示。4典型位置分析通過動(dòng)力時(shí)程計(jì)算和振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn),對(duì)圖7和10所示監(jiān)測(cè)斷面各典型位置進(jìn)行分析,換算得到IV,V級(jí)圍巖條件下,原型隧道橫斷面和縱斷面方向數(shù)值模擬和振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)的結(jié)果,由此揭示隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布規(guī)律。4.1襯砌內(nèi)力分析數(shù)值模擬計(jì)算的是襯砌橫向監(jiān)測(cè)斷面M3–3,M5–5,M6–6(見圖7)的內(nèi)力時(shí)程,提取激振過程中的隧道襯砌監(jiān)測(cè)點(diǎn)D1~D6的內(nèi)力峰值,選擇襯砌截面對(duì)稱軸左邊的監(jiān)測(cè)值,繪出不同圍巖條件下襯砌結(jié)構(gòu)控制點(diǎn)的內(nèi)力包絡(luò)圖,如圖11所示,圖中,彎矩以襯砌內(nèi)部受拉為正,軸力以襯砌受拉為正,下同。振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)監(jiān)測(cè)方案與數(shù)值模擬一致,在地震波激振過程中,獲得襯砌監(jiān)測(cè)斷面S2–2~S4–4(見圖10)上監(jiān)測(cè)點(diǎn)G1~G4內(nèi)、外邊緣的應(yīng)變時(shí)程。為了求得襯砌的內(nèi)力響應(yīng),在線彈性階段,彎矩M和軸力N時(shí)程計(jì)算公式分別如下:式中:ε1為內(nèi)邊緣應(yīng)變值,ε2為外邊緣應(yīng)變值,Ec為混凝土彈性模量,W為截面抵抗矩,b為寬度,h為襯砌厚度,A為截面面積。根據(jù)式(6),(7),計(jì)算出襯砌彎矩和軸力,提取內(nèi)力的峰值,得到的內(nèi)力包絡(luò)圖如圖12所示。圖11,12中,為了同一幅圖中表示的信息盡量多,各圖中左半部分表示彎距,右半部分表示軸力。圖11和12表明:圍巖條件是影響襯砌內(nèi)力的重要因素,圍巖越差,襯砌在地震作用下的內(nèi)力響應(yīng)值越大,抗震性能越差;隧道結(jié)構(gòu)處于斷層破碎帶區(qū)域時(shí),襯砌地震內(nèi)力響應(yīng)值明顯大于處于IV和V級(jí)圍巖處的內(nèi)力響應(yīng)值,但截面內(nèi)力分布規(guī)律一致,襯砌共軛45°方向?yàn)樗淼揽拐鹱畈焕奈恢?斷層破碎帶處襯砌內(nèi)力的計(jì)算峰值出現(xiàn)在拱腰處(測(cè)點(diǎn)D2),其彎矩和軸力分別為-378kN·m和-1085kN;斷層破碎帶處襯砌內(nèi)力的模型試驗(yàn)峰值也出現(xiàn)在拱腰處(測(cè)點(diǎn)G2),其彎矩和軸力分別為-397kN·m和-1634kN;振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果與動(dòng)力時(shí)程計(jì)算結(jié)果的規(guī)律一致。4.2結(jié)構(gòu)控制點(diǎn)的內(nèi)力數(shù)值結(jié)果分析,提出了以下步驟數(shù)值模擬計(jì)算的是襯砌監(jiān)測(cè)斷面M1–1~M5–5(見圖7)的典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)D1~D6處的內(nèi)力時(shí)程,同時(shí),監(jiān)測(cè)與數(shù)值計(jì)算相對(duì)應(yīng)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)監(jiān)測(cè)斷面S1–1~S3–3(見圖10)的控制點(diǎn)G1~G4處的應(yīng)變結(jié)果,按式(6),(7)計(jì)算獲得相應(yīng)的內(nèi)力時(shí)程。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù),提取相同圍巖條件下距斷層不同位置處襯砌結(jié)構(gòu)控制點(diǎn)的內(nèi)力峰值,得到了沿隧道縱向襯砌的內(nèi)力響應(yīng)規(guī)律,如圖13所示。從圖13可以看出:在圍巖與斷層破碎帶接觸面處,襯砌各控制點(diǎn)的內(nèi)力值都遠(yuǎn)大于距離斷層破碎帶較遠(yuǎn)的相應(yīng)點(diǎn)內(nèi)力值;距離斷層破碎帶越遠(yuǎn),襯砌的內(nèi)力值越小;當(dāng)截面遠(yuǎn)離斷層破碎帶一定距離后,其變化趨于平緩,即沿隧道縱向截面的內(nèi)力值收斂于一個(gè)穩(wěn)定值;振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)與動(dòng)力計(jì)算結(jié)果有相似的縱向內(nèi)力分布規(guī)律。5圍巖對(duì)隧道內(nèi)力的影響通過數(shù)值計(jì)算與振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn),分析穿越斷層破碎帶隧道橫向和縱向的動(dòng)力響應(yīng)特性,得出如下主要結(jié)論:(1)圍巖條件是影響襯砌內(nèi)力的重要因素,斷層破碎帶處襯砌內(nèi)力響應(yīng)值遠(yuǎn)大于IV