隧道洞口段结构地震响应分析

对照图 4 和图 5 可见 ,洞口段围岩由软弱向较硬的围岩 逐渐变化的长度越长 ,洞口段衬砌应力就越大 ,洞口段设防 长度就越长 ;图 4 中围岩渐变段长度为 20 m ,而图 5 中围岩 渐变段长度为 40 m ,后者洞口段衬砌最大主应力约增大了 42 %左右 ;当洞口围岩渐变段长度为 20 m 时 ,衬砌最大应力 发生在距洞口 15 m 处左右 ,距洞口 30 m 以后衬砌应力才逐 渐减小 ,所以此时洞口段抗震设防长度选取 30 m 比较合适 , 当洞口围岩渐变段长度为 40 m 时 ,衬砌最大应力发生在距 洞口 27. 5 m 处左右 ,距洞口 50 m 以后衬砌应力才逐渐减小 , 所以此时洞口段抗震设防长度选取 50 m 比较合适 。由此可 见洞口段设防长度与洞口段围岩性质是有很大关系的 。
本文运用结构动力分析计算方法和 ANSYS 软件中瞬态 动力分析[2]的功能 ,研究了地震荷载作用下围岩材料的渐变 对隧道洞口段抗震性能的影响 。
1 计算方法
采用 Newmark 隐式积分预估修正算法求解运动平衡方
程[3] 。有限元体系在 t + Δt 时刻的运动平衡方程为
M¨ut +Δt + Pt +Δt = Ft +Δt
Abstract : The tunnel portal and outlet are the weak links for anti2seismic fortifying as they are weathered accumulation bodies. Based on Newmarks implicit integration FEM and under the earthquake load , the inffluence on seismic responses in tunnel portal and outlet because of the changed surrounding rock is analyzed by using visco2elastic artificial boundary. The maximum stress , displacement and accelaration curve of lining along the axis direction of the tunnel under different work conditions are obtained , and the anti2seismic fortified lengths of tunnel structures are determined under different work conditions , providing the basis for selection of the anti2seismic fortified lengths of other similar tunnels. Keywords : tunnel portal and outlet ; anti2seismic fortified length; finite element method; visco2elastic boundary
重度/ 凝聚力 内摩擦 (kN·m - 3) / kPa 角/ (°)
18. 0
100
20
18. 5
125
23
20. 0
200
25
20. 5
300
27
wenku.baidu.com
21. 5
450
33
23. 0
3000
60
25. 0
4000
60
图 3 EL - Centro 地震加速度南北分量记录曲线
3 计算结果与分析
3. 1 衬砌关键部位应力结果分析
Newmark 方法采用下列假设 :
ut +Δt = ¨ut + [ (1 - δ) ¨ut + δ¨ut +Δt ]Δt
(3)
ut +Δt = ut + utΔt + [ (0. 5 - γ) ¨ut + γ¨ut +Δt ]Δt2
(4)
式中 : δ、γ为积分常数 ,分别取为 0. 5 、0. 25 。Newmark 隐式积
第 2 期 苏 惠 ,等 :隧道洞口段结构地震响应分析
157
隧道结构体系有限元模型如图 1 所示 。为研究围岩参数的 变化对隧道地震响应的影响 ,选取了 5 组不同的围岩[5] ,围 岩物理力学参数见表 1 。边界条件为 :底面 、两个侧面和后侧 设置粘 - 弹性人工边界 ,前侧为自由边界 。围岩材料沿隧道 轴向的分布情况见图 2 ,计算工况见表 2 。
收稿日期 :2010201211 修回日期 :2010201227 作者简介 :苏 惠 (1981 —) ,女 (汉族) ,山西阳泉人 ,助教 ,硕士研究生 ,研究方向为隧道与地下工程动力特性分析 。
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3. 2 衬砌关键部位位移结果分析
图 7 为不同工况下沿隧道轴线方向衬砌拱顶最大位移 变化曲线 。从图中可以看出 ,工况 1 和工况 2 洞口段围岩是 由软弱向较硬的围岩逐渐变化的 ,围岩由洞口越向洞内延 伸 ,位移越小 ;工况 1 和工况 2 最大位移均发生在洞口 ,工况 1 最大位移为 6. 36 mm ,工况 2 最大位移为 9. 14 mm ,后者最 大位移约增大了 30 %左右 ;工况 3 洞口段围岩是均质的 ,没 有发生渐变 ,位移曲线趋于平缓 。因此加强洞口位移的检测 可以进行加固长度的控制[7] 。
图 6 工况 3 - 沿隧道轴线方向衬砌边墙脚 最大应力变化曲线
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1 58 水利与建筑工程学报 第 8 卷
隧道的进出口是隧道唯一的暴露部分 ,是整个隧道抗震 设防的薄弱环节 。隧道洞口所处的地质条件 ,多为严重风化 的堆积体 ,覆盖层较薄 ,容易造成山体失稳 ,产生滑动和坍 塌 。大量的地震灾害表明 ,地震对浅埋隧道 、偏压隧道 、明洞 及洞门的影响较大 。在地形 、地质条件不利的地段 ,当发生 强烈地震时 ,常由于滑坡 、地表开裂 、断层位移等造成洞口堵 塞 、洞门开裂 、衬砌变形等不同程度的破坏[1] 。因此 ,在隧道 和隧道洞口位置选择及具体设计时 ,应考虑地震烈度 、地形 和地质条件 ,特别是地形陡峻的不良地质对隧道的影响 。
(1. 陕西铁路工程职业技术学院 铁道工程系 , 陕西 渭南 714000 ; 2. 兰州交通大学 土木工程学院 , 甘肃 兰州 730070)
摘 要 : 隧道的进出口大多是风化的松散堆积体 ,是抗震设防的薄弱环节 。运用 Newmark 隐式时间积
分有限元法 ,采用粘 - 弹性人工边界 ,对在地震荷载作用下围岩材料的渐变对隧道洞口段抗震性能进行
图 4 工况 1 - 沿隧道轴线方向衬砌边墙脚 最大应力变化曲线
图 2 围岩沿隧道轴向的分布情况
表 2 计算工况
工况
围岩纵向分布长度/ m L1 L2 L3 L4 L5
围岩编号 ①②③④⑤
1
5 5 5 5 60 1 2 3 4 5
2 10 10 10 10 40 1 2 3 4 5
3
5 5 5 5 60 4 4 4 4 4
第 8 卷第 2 期 2010年4月
水利与建筑工程学报
Journal of Water Resources and Architectural Engineering
隧道洞口段结构地震响应分析
Vol. 8 No. 2 Apr . , 2 0 1 0
苏 惠1 , 贾 良1 , 严松宏2 , 张巧慧1
(1. Department of Railway Engineering , Shaanxi Vocational and Technical College of Railway Engineering , Weinan , Shaanxi 714000 , China ; 2. College of Civil Engineering , Lanzhou Jiaotong University , Lanzhou , Gansu 730070 , China)
分法是无条件稳定的 。
体系的总阻尼矩阵采用瑞利阻尼
C = αM + βK
(5)
式中 : α、β为常数 ,可分别按两种不同的振动频率下测得的
阻尼比ξ加以确定[4] 。
2 有限元模型的建立
隧道进口段位于右江南岸低山丘陵区 ,洞身埋藏较浅 , 埋深约 20 m。岩体较破碎 ,节理及裂隙发育 。起迄里程为 DK11 + 970～DK13 + 585 ,全长 1 565 m。文章选取定造隧道洞 口 DK11 + 970～DK12 + 050 段 。计算范围为 :长 ×宽 ×高 = 80 m ×60 m ×55 m。采用 8 节点三维等参数单元 solid45 以及 弹簧单元 combin14 ,共划分单元总数 27 156 ,节点总数 29 991 。
(1)
Cut +Δt + Kut +Δt
线性体系
Pt +Δt =
∑ Cut +Δt +
B σ et +TΔt et +Δt dV 非线性体系
(2)
e
式中 : M 为体系的总质量矩阵 ; C 为体系的总阻尼矩阵 ; K
为体系 的 总 刚 度 矩 阵 ; ¨ut+Δt 为 体 系 的 节 点 加 速 度 向 量 ; ut+Δt 为体系的节点速度向量 ; ut+Δt 为体系的节点位移向 量 ; Ft +Δt 为外荷载向量 ; Bet +TΔt 为单元应变矩阵 ; σet +Δt 为单 元应力向量 。
分析 。得到了 3 种工况下沿隧道轴线方向衬砌最大应力 、位移以及加速度变化曲线 ,及不同工况下洞口
段隧道结构的抗震设防长度 。洞口段设防长度与洞口段围岩性质有关 ,洞口段围岩由软弱向坚硬渐变
长度越长 ,洞口段衬砌应力就越大 ,洞口段设防长度就越长 。
关键词 : 隧道洞口段 ; 抗震设防长度 ; 有限元法 ; 粘 - 弹性边界
中图分类号 : U452. 28 文献标识码 : A
文章编号 : 1672 —1144 (2010) 02 —0156 —03
Analysis of Anti2seismic Fortified Length in Tunnel Portal and Outlet
SU Hui1 , J IA Liang1 , YAN Song2hong2 , ZHANG Qiao2hui1
图 4～图 6 为各工况下沿隧道轴线方向衬砌边墙脚处最 大应力变化曲线 。从图 4 、图 5 中可以看出 ,不论洞身段围岩 为围岩 5 或围岩 4 ,对于洞口段分布着地质条件差的围岩 ,即 计算中洞口段围岩是由软弱向较硬的围岩逐渐变化时 ,洞口 段衬砌的应力显著的增大 。从图 6 可以看出 ,对于未考虑洞 口段围岩分布逐渐变化的情况 ,即洞身段围岩与洞口段围岩 相同的情况 ,洞口段衬砌应力与洞身段衬砌应力基本相同 。
图 5 工况 2 - 沿隧道轴线方向衬砌边墙脚 最大应力变化曲线
本文选取 EL - Centro[6]水平 8 度地震波为地震输入 。地 震波 (震级 M = 7. 1 ,震中距 50 km ,最大加速度 NS 分量为3. 42 m/ s ,持续时间 30 s) 的前 10 s 加速度记录作为输入的地震荷
载 ,如图 3 所示 。
图 1 隧道结构体系有限元网格模型
表 1 材料物理力学参数
材料
围岩 1 围岩 2 围岩 3 围岩 4 围岩 5 初期支护 二次衬砌
弹性模 量/ MPa
1000 1500 2100 3000 3650 8500 30000
泊松比
0. 40 0. 38 0. 36 0. 35 0. 33 0. 20 0. 17