動荷載作用下回填土隧道的穩(wěn)定性研究

黃結(jié)友

(江西省公路學(xué)會 南昌市 330038)

地鐵在建設(shè)過程中常遇到回填土路段，回填土的成分復(fù)雜、結(jié)構(gòu)松散、力學(xué)性質(zhì)較差，當(dāng)在其下方修建地鐵時，容易發(fā)生塌方、涌水等現(xiàn)象，對此許多研究學(xué)者對回填土的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行研究，其中邊學(xué)成[1]采用解析方法對高速列車動荷載作用下地基和隧道的動力響應(yīng)進(jìn)行分析，為隧道的穩(wěn)定性研究提供參考；李亮等[2-3]為研究列車車速、隧道截面形式以及不同邊界條件對隧道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響，通過有限元軟件建立三維的模型進(jìn)行分析，得到不同參數(shù)變化的隧道穩(wěn)定性的影響變化規(guī)律。

通過理論原理結(jié)合有限元軟件建立三維隧道模型，對其進(jìn)行模擬研究。

1 回填土的工程特性研究

1.1 密度試驗

對現(xiàn)場回填土采用灌水法進(jìn)行密度試驗，最終試驗得到回填土的天然密度為2075kg/m3。

1.2 含水率試驗

對現(xiàn)場采取的土體按《水利水電工程土工試驗規(guī)程》中的烘干法進(jìn)行試驗，通過測量和計算得到土樣的含水率為9.25%。

1.3 動力參數(shù)試驗

對現(xiàn)場的回填土動力參數(shù)進(jìn)行試驗，根據(jù)《土工試驗規(guī)程》可知，土的動彈性模量及動泊松比可根據(jù)式(1)和式(2)進(jìn)行計算。

(1)

(2)

式中：Ed為土的動彈性模量(MPa)；μd為土的動泊松比；ρ為土體的密度(kg/m3)；vs為剪切波速(m/s)；vp為壓縮波速(m/s)。

2 有限元模擬

2.1 有限元軟件介紹

采用ANASYS軟件進(jìn)行動力計算時，首先將區(qū)域進(jìn)行離散化，主要是通過對單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，盡可能地劃分精細(xì)；然后構(gòu)造插值函數(shù)，該函數(shù)需要滿足位移連續(xù)和常量應(yīng)變；并建立體系的運動微分方程，建立該微分方程常用的方法[4]有達(dá)朗貝爾直接平衡法、按虛功原理建立平衡方程以及按哈密頓(Hamilton)原理推導(dǎo)體系的運動方程；隨后進(jìn)行運動微分方程的求解，該求解過程一般是采用積分法或者振型疊加法[5]，最后進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變的分析。

2.2 有限元模型的建立

根據(jù)實際工程建立模型，模型的整體尺寸為80m×60m，隧道的拱頂埋深為31.5m；模型中的左右兩邊設(shè)置水平的位移約束，下邊界設(shè)置為固定端，上部設(shè)置為自由；模型中初期襯砌采用BEAM3梁單元進(jìn)行模擬，而土層、圍巖、二次襯砌及樁基則均采用PLAN42平面單元進(jìn)行模擬；并且對隧道進(jìn)行監(jiān)測，在隧道中設(shè)置不同的監(jiān)測點，如圖1所示，模型中的相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表1。

2.3 模擬結(jié)果分析

圖1 三維模型圖

表1 模型中的參數(shù)設(shè)置

2.3.1隧道位移的響應(yīng)分析

對回填土隧道在動荷載作用下的位移響應(yīng)進(jìn)行研究分析，模擬的結(jié)果見圖2所示。

圖2 位移變化曲線

從圖2可知，隨著動荷載的作用，隧道各點的位移變化趨勢相近，都將隨著動荷載的接近而逐漸增大，后隨著動荷載的遠(yuǎn)離而減小，最后恢復(fù)到初始的狀態(tài)，各點的位移達(dá)到極值的時間先是軌道面的中心，然后是左邊墻、右邊墻、拱頂，最后在地表；并且各點的位移響應(yīng)幅值均不超過0.03m，其中地表的最小，軌道面中心的位移響應(yīng)幅值最大，約為0.0275m，該值相對于既有的振動位移容許值的相關(guān)研究來說是比較安全的。

2.3.2隧道速度的響應(yīng)分析

對回填土隧道在動荷載作用下的速度響應(yīng)進(jìn)行研究分析，模擬的結(jié)果見圖3所示。

圖3 速度變化曲線

從圖3中可知，在動荷載的作用下，回填土隧道的速度響應(yīng)是以振源為中心向外擴(kuò)出，并且整體上隨著離振源的距離越大，速度的響應(yīng)減弱趨勢越強(qiáng)；并且發(fā)現(xiàn)右側(cè)隧道的錨桿加固圈能有效阻擾速度的傳播，當(dāng)距離在10m以內(nèi)迅速減小，然后趨于平緩，說明回填土對動荷載有較好的減弱作用，因此在實際工程中應(yīng)保證隧道的埋深大于10m；同時發(fā)現(xiàn)隧道各處的速度幅值均小于0.2mm/s, 可見動荷載對回填土隧道的振動速度影響不大。

2.3.3隧道加速度的響應(yīng)分析

對回填土隧道在動荷載作用下的加速度響應(yīng)進(jìn)行研究分析，模擬的結(jié)果見圖4所示。

圖4 加速度變化曲線

從圖4可知，回填土隧道在動荷載作用下的加速度變化規(guī)律與速度的響應(yīng)規(guī)律相似，整體上由中心向外擴(kuò)出，并且整體上隨著離振源的距離越大，加速度的響應(yīng)減弱趨勢越強(qiáng)；拱頂處的加速度變化趨勢與錨桿加固區(qū)向左處的變化相似，但拱頂處的回填土加速度衰減速度相對平緩，因此在實際工程中可以對隧道上方的區(qū)域提高減震措施；襯砌處的加速度出現(xiàn)先增后減的變化主要是因為列車行駛經(jīng)過襯砌處，其振動經(jīng)過折射及反射的作用，導(dǎo)致該區(qū)域出現(xiàn)疊加效應(yīng)，加速度響應(yīng)增強(qiáng)，隨著距離的增大，這種效應(yīng)逐漸減小。

4 結(jié)論

理論分析結(jié)合有限元軟件建立三維隧道模型模擬研究結(jié)果表明：回填土隧道在動荷載的作用下，其位移值隨著動荷載的靠近而增加，隨著動荷載的遠(yuǎn)離而減小，幅值小于0.03m，較為穩(wěn)定；其速度及加速度的響應(yīng)規(guī)律相似，并且襯砌及錨桿等能有效對動荷載進(jìn)行阻擾。