滾石沖擊EPE-砂土復(fù)合墊層明洞動力響應(yīng)研究

王東坡， 易雪斌， 周良坤， 閆帥星， 劉彥輝

(1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點試驗室，成都 610059；2.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，成都 611130； 3.中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

明洞作為隧道進(jìn)出口防治滾石災(zāi)害最為有效的工程措施之一[1]，被廣泛應(yīng)用于山區(qū)交通沿線，如圖1所示，明洞主要由鋼筋混凝土主體結(jié)構(gòu)和上部的耗能緩沖墊層組成[2]。在實際工程中，砂土作為主要墊層材料，其松散的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可起到較好的吸能緩沖作用，且本身也具有良好排導(dǎo)水及抗沖擊等特性。通過上部墊層的緩沖耗能作用，不僅可以吸收滾石沖擊產(chǎn)生的部分能量，還可以使明洞結(jié)構(gòu)受力更加均勻，從而有效發(fā)揮結(jié)構(gòu)的整體防護(hù)作用[3]。然而，傳統(tǒng)砂土墊層較大的自重不僅增加了下部結(jié)構(gòu)尺寸，提升了建設(shè)成本，同時砂土墊層本身耗能效果也較為有限。為提升明洞的耗能減震效果，國內(nèi)外眾多學(xué)者圍繞新型輕質(zhì)緩沖墊層開展了眾多研究工作[4-7]：程鵬等[8]先后采用MTS靜態(tài)壓縮試驗與ABAQUS動力有限元計算方法，針對雙層泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)芯體厚度開展了滾石耗能效果優(yōu)化研究；王東坡等[9]以實際棚洞工程為背景，采用ABAQUS動力有限元計算方法開展了EPS復(fù)合墊層和砂土墊層耗能效果研究；Guo等[10]對EPE在內(nèi)的多種材料進(jìn)行了靜態(tài)壓縮及動態(tài)沖擊試驗研究，研究表明，EPE材料具有較高的回彈性和吸能效率；黎良仆等[11-13]對EPE和EPS墊層開展了多次沖擊試驗，發(fā)現(xiàn)EPE材料更適合作為緩沖材料。

圖1 公路明棚洞

上述輕質(zhì)緩沖材料中，發(fā)泡聚乙烯(EPE)具有輕質(zhì)耐久、高回彈性能以及環(huán)境友好的特性，將其與砂土材料組合，形成EPE-砂土復(fù)合明洞墊層，能夠有效降低結(jié)構(gòu)自重，提升現(xiàn)有砂土墊層明洞抗沖擊性能。但由于滾石沖擊條件以及墊層參數(shù)設(shè)置的不同，EPE-砂土復(fù)合墊層明洞結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的動力響應(yīng)規(guī)律仍不明確，還需進(jìn)一步深入研究。因此，采用物理模型試驗和數(shù)值模擬手段，開展了滾石沖擊作用下EPE-砂土復(fù)合墊層與砂土墊層明洞結(jié)構(gòu)耗能效果研究，分析了不同滾石沖擊條件以及墊層參數(shù)下EPE-砂土復(fù)合墊層明洞的動力響應(yīng)規(guī)律；并針對高能級滾石沖擊下的EPE-砂土復(fù)合墊層組合進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提升EPE-砂土復(fù)合墊層在實際工程中的耗能效果。

1 明洞EPE-砂土復(fù)合墊層物理模型試驗

依托地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室滾石沖擊試驗平臺，開展砂土墊層、純EPE墊層以及EPE-砂土復(fù)合墊層的耗能效果比對研究。在此基礎(chǔ)上，通過改變不同滾石下落高度以及復(fù)合墊層厚度比值參數(shù)，開展?jié)L石沖擊荷載作用下EPE-砂土復(fù)合墊層明洞的動力響應(yīng)研究。

1.1 試驗平臺

沖擊試驗平臺由三部分構(gòu)成，分別為滾石起降裝置、明洞模型及數(shù)據(jù)采集裝置，如圖2所示。其中，滾石起降裝置又分為滾石、鋼結(jié)構(gòu)桁架、卷揚機(jī)以及電磁脫鉤裝置四部分。滾石材質(zhì)為花崗巖，暫不考慮滾石的滾動和旋轉(zhuǎn)，設(shè)定為球形，直徑0.2 m，密度為2 500 kg/m3。桁架高度6.00 m，頂、底面的邊長分別為1.15 m、2.50 m。通過卷揚機(jī)和電磁脫鉤裝置可實現(xiàn)對滾石的提升與釋放，并控制固定高度使?jié)L石自由下落并沖擊墊層中心。

圖2 滾石沖擊試驗平臺

明洞模型主要由耗能墊層、鋼筋混凝土頂板以及支撐板的四根混凝土支柱構(gòu)成。其中，砂土墊層采用河砂作為主要材料，EPE墊層選用密度為25 kg/m3的EPE材料。耗能墊層被固定在由透明亞克力板粘接的砂箱中，砂箱橫截面尺寸為1.0 m×1.0 m，墊層總厚度設(shè)定為30 cm。鋼筋混凝土板橫截面尺寸為1.5 m×1.5 m，厚度為0.2 m，板內(nèi)鋪設(shè)兩層HRB335網(wǎng)狀鋼筋，下部鋼筋距離板底部4 cm，上部鋼筋距離板頂部4 cm，鋼筋間距12 cm。混凝土支柱橫截面尺寸為0.2 m×0.2 m，高度為0.4 m，混凝土強(qiáng)度等級采用C25。

數(shù)據(jù)采集裝置分別采用東華數(shù)據(jù)采集儀、Kisler加速度傳感器及輪輻式壓力傳感器。加速度傳感器采樣頻率為0.5～10 kHz，靈敏度為50 mv/g，最大量程為200 g；分別安裝在滾石上表面、混凝土頂板底面中心、底面中心與長邊、斜邊對角連線的中心，布置如圖2，設(shè)定滾石向下沖擊為正方向。輪輻式壓力傳感器采樣頻率為10～100 kHz，靈敏度為0.002 857 mv/g，量程為700 kg；分別安裝在4根支柱與混凝土板的接觸面。上述兩種傳感器均由東華數(shù)據(jù)采集儀連接并實時采集數(shù)據(jù)。

1.2 試驗設(shè)計

開展?jié)L石沖擊試驗，以驗證EPE-砂土復(fù)合墊層優(yōu)良緩沖效果，并進(jìn)一步探究不同工況下復(fù)合墊層及其下覆頂板的動力響應(yīng)規(guī)律。

預(yù)試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)滾石釋放高度超過2 m時，因EPE良好的回彈性使得滾石在沖擊復(fù)合墊層后產(chǎn)生較大回彈，甚至撞擊到周圍的亞克力板。為保證現(xiàn)場試驗的安全進(jìn)行，故將滾石下落高度H設(shè)定為1.0 m、1.5 m、2.0 m。從復(fù)合墊層自身性質(zhì)考慮，主要探究不同復(fù)合墊層厚度比值δ(砂土/EPE厚度比值=1∶2、1∶1、2∶3)的變化對EPE-砂土復(fù)合墊層耗能減震效果的影響。具體試驗工況見表1。

表1 試驗工況表

1.3 試驗結(jié)果

1.3.1 不同墊層結(jié)構(gòu)耗能效果對比

為探究不同墊層結(jié)構(gòu)的耗能效果，分別選取純砂土、純EPE及EPE-砂土復(fù)合墊層，3種墊層結(jié)構(gòu)在2 m滾石下落高度下進(jìn)行沖擊試驗，試驗編號為1、2、3，具體工況見表1。圖3～圖6為其動力響應(yīng)結(jié)果，由圖3滾石沖擊力時程曲線可知，純砂土墊層、EPE-砂土復(fù)合墊層的滾石沖擊力時程曲線表現(xiàn)兩個峰值，而純EPE復(fù)合墊層僅為一個峰值。這是由于滾石接觸純砂土、復(fù)合墊層時，產(chǎn)生的應(yīng)力波從墊層頂面?zhèn)鞑ブ翂|層底面即混凝土頂板頂面后大部分再次向上反射，影響了還未結(jié)束的沖擊進(jìn)程，從而產(chǎn)生了第二次峰值應(yīng)力。但對于純EPE墊層而言，反射的沖擊應(yīng)力波明顯未能在沖擊力歸零前返回到滾石與墊層的接觸面處。滾石沖擊砂土墊層時滾石峰值沖擊力為8 223 N，沖擊純EPE墊層和EPE-砂土復(fù)合墊層滾石沖擊力峰值均為5 000 N左右。結(jié)合圖4頂板支反力時程曲線，滾石沖擊砂土墊層時，支反力曲線表現(xiàn)為正負(fù)相反的兩個峰值，且最大支反力近12 000 N。究其原因，在本試驗中，對于上部墊層材料，混凝土板代表了應(yīng)力波的傳播邊界，即應(yīng)力波傳遞至混凝土頂板后，絕大部分再次向上反射，在此作用下，上部墊層與混凝土板發(fā)生分離，使得支反力變?yōu)樨?fù)值。而EPE-砂土復(fù)合墊層及純EPE墊層在相同滾石沖擊條件下，其支反力曲線的兩個波峰都顯著減小，且最大峰值降低了近2倍。以上說明，EPE材料對于降低滾石沖擊力和頂板支反力有較好的效果。

圖3 滾石沖擊力時程曲線(H=2 m)

圖4 頂板支反力時程曲線(H=2 m)

圖5 頂板不同位置處加速度時程曲線(H=2 m)

當(dāng)滾石下落沖擊墊層時，產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力使得下覆頂板也發(fā)生振動；如圖5和圖6所示，純砂土墊層下覆頂板中心處振動加速度峰值為0.62g，隨著距離頂板中心越遠(yuǎn)，其振動加速度值越來越小，這反映出滾石沖擊墊層后在頂板處所產(chǎn)生的應(yīng)力波向外擴(kuò)散并逐漸衰減的趨勢。鋪設(shè)砂土墊層的鋼筋混凝土板在頂板中心以及長邊中心均具有較大振動加速度，而純EPE墊層由于具有較高的回彈特性導(dǎo)致沖擊過程中對頂板產(chǎn)生的振動僅次于砂土墊層，其最大振動加速度到達(dá)了0.48g；EPE-砂土復(fù)合墊層在各個測點處的振動加速度均是最小的，最大不超過0.14g。

圖6 頂板不同位置處的最大加速度(H=2 m)

三種耗能墊層受滾石沖擊時的最大滾石沖擊力排序依次為，砂土墊層>EPE-砂土復(fù)合墊層>純EPE墊層。僅以滾石沖擊力的降低效果作為評價指標(biāo)，純EPE墊層及EPE-砂土復(fù)合墊層都具有較好的緩沖效果。通過綜合對比滾石沖擊力、頂板支反力以及頂板不同位置處的振動加速度發(fā)現(xiàn)，EPE-砂土復(fù)合墊層對于降低滾石沖擊力以及保護(hù)下覆結(jié)構(gòu)物不受太大振動影響上具有更好的效果。

1.3.2 滾石不同下落高度復(fù)合墊層動力響應(yīng)研究

為研究滾石不同下落高度對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)結(jié)果的影響，選取滾石下落高度為1.0 m、1.5 m、2.0 m，分別沖擊EPE-砂土復(fù)合墊層(厚度比1∶2)，試驗編號為4、5、6，具體工況見表1。圖7～圖9為復(fù)合墊層及其下覆頂板的動力響應(yīng)結(jié)果，由圖7可看出，不同下落高度的滾石沖擊力時程曲線趨勢大致相同。當(dāng)滾石接觸到EPE-砂土復(fù)合墊層后，沖擊力迅速增大，隨后逐漸衰減趨近于零，總持續(xù)時間約0.05 s。第一個波峰表現(xiàn)為沖擊力峰值，當(dāng)滾石下落高度為1 m、1.5 m、2 m時，滾石沖擊力峰值分別為2 534.37 N、3 047.54 N、5 068.74 N，可以看出，隨著滾石下落高度的增加，沖擊力峰值也明顯增大。由圖8可知，滾石沖擊至復(fù)合墊層后，頂板支反力開始迅速增大，當(dāng)達(dá)到峰值后迅速下降，隨后出現(xiàn)短時振蕩并形成若干個次級波峰，直至衰減為零。當(dāng)滾石下落高度為1.0 m時，頂板最大支反力為3 953.53 N，1.5 m時，頂板最大支反力為4 987.56 N，2.0 m時，頂板最大支反力為5 152.43 N。下落高度由1.0 m增加至1.5 m和2.0 m，頂板最大支反力分別增加了126.15%和130.32%。結(jié)合圖7、圖8可以發(fā)現(xiàn)頂板處支反力均大于滾石沖擊力，因為砂土受到滾石沖擊后，其內(nèi)部顆粒間會形成力鏈并產(chǎn)生一定的動態(tài)沖擊放大效應(yīng)；在墊層底部的傳遞力進(jìn)一步傳遞至混凝土板，故表現(xiàn)為頂板支反力大于滾石沖擊力。選取頂板中心處的振動加速度作為動力響應(yīng)評價指標(biāo)，由圖9所示，當(dāng)沖擊高度為1 m時，下覆頂板最大加速度值為0.09g；沖擊高度為2 m時，加速度值達(dá)到了0.14g；下落高度由1 m增至2 m，下覆頂板最大加速度值增加了156%，可以看出，在本組試驗工況中提升滾石下落高度，EPE-砂土復(fù)合墊層及下覆頂板的動力響應(yīng)指標(biāo)也相應(yīng)增加。

圖7 不同下落高度滾石沖擊力

圖8 不同下落高度頂板支反力

圖9 不同下落高度頂板中心加速度

1.3.3 不同厚度比復(fù)合墊層動力響應(yīng)研究

為探究EPE材料在墊層中所占比例的變化對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)及緩沖效果的影響，在1.5 m沖擊高度下，選取EPE-砂土復(fù)合墊層不同厚度比進(jìn)行試驗，試驗編號為7、8、9，具體工況見表1。由圖10可知，提升EPE材料在復(fù)合墊層中的比例能夠極大降低滾石接觸墊層所產(chǎn)生的沖擊力，當(dāng)復(fù)合墊層厚度比值為1∶1(砂土15 cm、EPE15 cm)時，滾石沖擊力峰值為5 304.73 N，當(dāng)厚度比值為2∶3(砂土12 cm、EPE18 cm)時，滾石沖擊力峰值為3 765.64 N，當(dāng)厚度比為1∶2(砂土10 cm、EPE20 cm)時，滾石沖擊力峰值為3 047.54 N。復(fù)合墊層EPE材料厚度由15 cm增加至18 cm，滾石沖擊力峰值降低了29.01%，即增加3 cm厚度的EPE材料，滾石沖擊力減小1 539.0 N(513.03 N/cm)，EPE材料厚度由18 cm增加至20 cm滾石沖擊力峰值降低了19.07%，即增加2 cm厚度的 EPE材料，滾石沖擊力減小718.1 N(359.05 N/cm)；可以看出，當(dāng)EPE所占比例增加至某一厚度后，隨著EPE所占比例的增加，其對滾石沖擊力峰值降低幅度呈現(xiàn)減緩趨勢。由圖11復(fù)合墊層不同厚度比值頂板支反力時程曲線可知，當(dāng)復(fù)合墊層厚度比值為1∶1(砂土15 cm、EPE15 cm)，頂板支反力振蕩較為明顯，在首次達(dá)到波谷階段時，其支反力峰值均顯著高于其余兩種厚度比值工況。

圖10 復(fù)合墊層不同厚度比滾石沖擊力時程曲線(H=1.5 m)

圖11 復(fù)合墊層不同厚度比頂板支反力時程曲線(H=1.5 m)

圖12為不同厚度比值頂板中心加速度時程曲線，當(dāng)復(fù)合墊層中EPE材料厚度為15 cm (厚度比1∶1)、18 cm (厚度比2∶3)、20 cm (厚度比1∶2)時，頂板中心最大加速度分別為0.25 g、0.15 g、0.10 g。EPE材料厚度由15 cm增加至18 cm，頂板中心最大加速度峰值減小了40%(0.033 g/cm)，EPE厚度由18 cm增加至20 cm，頂板中心最大加速度峰值減小了33%(0.025 g/cm)?？梢钥闯?，增加EPE材料的厚度占比，能提升結(jié)構(gòu)抗震性能，但當(dāng)EPE厚度達(dá)到一定比例后，減震效果提升幅度會有所降低。

圖12 復(fù)合墊層不同厚度比頂板中心加速度

2 EPE-砂土復(fù)合墊層在汶馬高速桑坪隧道明洞工程中的應(yīng)用研究

物理模型試驗表明，EPE-砂土復(fù)合墊層具有更好的耗能緩沖效果，為驗證復(fù)合墊層在實際工程中的應(yīng)用效果，以汶馬高速桑坪隧道明洞工程為依托，建立滾石沖擊EPE-砂土復(fù)合墊層明洞數(shù)值仿真模型，進(jìn)一步開展EPE-砂土復(fù)合墊層的應(yīng)用和優(yōu)化研究。

2.1 工程背景

汶馬高速桑坪隧道位于阿壩藏族羌族自治州汶川縣增坡村，地理位置如圖13所示，其所在公路為汶川至馬爾康高速公路(簡稱汶馬高速公路)，汶馬高速線路全長173.3 km，起于南鳳坪壩，止于卓克基，是四川內(nèi)地通往西藏地區(qū)的重要交通大動脈[14]。

圖13 研究區(qū)地理位置

該明洞處于橋梁和隧道結(jié)合處，對于地基的承載力要求極為嚴(yán)苛，這要求明洞結(jié)構(gòu)在保證高緩沖性能的前提下盡量實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化。為此，提出將輕質(zhì)、高緩沖特性的EPE-砂土復(fù)合墊層應(yīng)用于該明洞工程，并以此開展?jié)L石沖擊荷載下EPE-砂土復(fù)合墊層在明洞中的應(yīng)用及優(yōu)化研究。

2.2 明洞模型建立及本構(gòu)模型驗證

圖14為數(shù)值模擬計算所采用的明洞模型示意圖。其中，明洞模型主要由鋼筋混凝土主體結(jié)構(gòu)和上覆的緩沖墊層兩部分組成，跨度為10.0 m，立面尺寸19.1 m×9.5 m，頂板平面尺寸為14.4 m×10.0 m，洞口上端距離頂板為2.5 m。洞內(nèi)配筋為HRB400環(huán)狀鋼筋，鋼筋直徑為25 cm，沿立面分兩層分布，跨度方向兩層鋼筋以每25 cm的間距進(jìn)行布置。設(shè)定上覆緩沖墊層總厚度為1.50 m，復(fù)合墊層初始厚度比值采用物理模型試驗中耗能效果最好的工況設(shè)計，即EPE-砂土復(fù)合墊層厚度比為1∶2(砂土材料厚0.5 m，EPE材料厚1 m)。

圖14 明洞三維模型圖

明洞模型涉及材料包括砂土、EPE、鋼筋以及混凝土，其中砂土材料采用Drucker-Prager模型，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線為二階拋物線形式，其本構(gòu)關(guān)系式為σ=50εsand2[15]。EPE材料采用Low Density Foam模型，此模型能夠較好的模擬低密度、高壓縮的彈性體泡沫，涉及材料參數(shù)來源于單軸壓縮、拉伸試驗；鋼筋采用線性強(qiáng)化彈塑性模型，屈服強(qiáng)度遵循Von Mises應(yīng)力準(zhǔn)則?；炷敛捎肅oncrete Damaged Plasticity塑性損傷模型，并根據(jù)GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》以及王中強(qiáng)等定義的混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線以及損傷參數(shù)計算方法開展有關(guān)參數(shù)設(shè)置[16]，表2為模型采用的具體材料參數(shù)。

表2 材料參數(shù)表

為驗證上述材料本構(gòu)模型的正確性及模型建立的合理性，以室內(nèi)滾石沖擊試驗平臺為原型，建立1∶1數(shù)值模型，模擬了物理模型試驗中滾石以1 m、1.5 m、2 m沖擊EPE-砂土復(fù)合墊層(厚度比1∶2)，獲取了滾石沖擊力峰值和頂板支反力峰值。圖15為不同沖擊高度下，物理模型試驗實測結(jié)果與數(shù)值模擬計算結(jié)果的誤差對比圖，從圖中可以看出，數(shù)值模擬所計算的沖擊力峰值、支反力峰值與實測結(jié)果有較好的一致性，兩者誤差均在15%以內(nèi)，由此可知，所采用的數(shù)值模型具有較高可靠性。

2.3 工況設(shè)計

采用數(shù)值模擬手段開展不同滾石沖擊能級下砂土墊層與EPE-砂土復(fù)合墊層耗能效果對比，以評價砂土墊層與EPE-砂土復(fù)合墊層在不同滾石沖擊能級下的耗能效果。

根據(jù)桑坪隧道口現(xiàn)場調(diào)研以及采用Rockfall軟件試算結(jié)果，對于潛在危害較大的危巖體被建議清除或者支護(hù)以外，其余影響隧道口的危巖體體積在2 m3～4 m3左右，巖性為千枚巖，密度為1 700 kg/m3，潛在沖擊能級范圍為50～1 600 kJ。為提高計算效率，假定滾石形狀為均勻球形，半徑為0.9 m，根據(jù)E=mv2/2，將對應(yīng)沖擊能級轉(zhuǎn)換為接觸墊層時的初始沖擊初速度V0，重新設(shè)定初始沖擊速度為5 m/s(65 kJ)、10 m/s(259 kJ)、15 m/s(584 kJ)、20 m/s(1 037 kJ)、25 m/s(1 621 kJ)。沖擊工況為分別以5 m/s、10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s的初始速度沖擊純砂土墊層以及EPE-砂土復(fù)合墊層(砂土材料厚0.5 m，EPE材料厚1 m)。

2.4 結(jié)果分析

通過選用滾石沖擊力、明洞頂板測點(位于滾石沖擊點正下方)應(yīng)力、位移作為判據(jù)，綜合評價EPE-砂土復(fù)合墊層和砂土墊層在不同滾石沖擊能級下的耗能減震效果，三維模型見圖14。

(a)

2.4.1 滾石沖擊力

圖16為滾石以10 m/s速度沖擊砂土墊層、EPE-砂土復(fù)合墊層的沖擊力時程曲線。在砂土墊層工況下，滾石沖擊力在0.036 s達(dá)到峰值1.50 MN，隨后快速衰減為零，持續(xù)時間約0.08 s。EPE-砂土復(fù)合墊層工況，由于其良好的緩沖效果，使沖擊力在0.012 s達(dá)到峰值0.72 MN后迅速衰減，并產(chǎn)生一段相對較長的振蕩，最終衰減為零?？梢钥闯?，EPE-砂土復(fù)合墊層的滾石沖擊力作用持續(xù)時間大于砂土墊層，且滾石沖擊力峰值明顯小于砂土墊層。

圖16 V0=10 m/s滾石沖擊力時程曲線

圖17為不同沖擊速度下滾石沖擊力峰值曲線，可以看出隨著滾石沖擊速度的增大，沖擊力也隨之增大；在5～20 m/s，砂土墊層的沖擊力峰值明顯大于EPE-砂土復(fù)合墊層，然而當(dāng)沖擊速度超過20 m/s，EPE-砂土復(fù)合墊層沖擊力峰值反而更大。由此可知，EPE-砂土復(fù)合墊層在一定的滾石沖擊速度范圍內(nèi)可減小滾石沖擊力，而當(dāng)超過此范圍上限時，其沖擊力減緩效果反而不如傳統(tǒng)砂土墊層。其原因在于：EPE墊層相對砂土墊層來說更加“柔軟”，當(dāng)受到較大滾石沖擊速度時，EPE-砂土復(fù)合墊層更易被滾石貫入深處，甚至接觸剛度比砂土更大的混凝土頂板而導(dǎo)致滾石沖擊力急劇增加。

圖17 不同沖擊速度下滾石沖擊力峰值

2.4.2 滾石貫入深度及頂板位移

結(jié)合圖18不同沖擊速度下最大貫入深度曲線可知，當(dāng)沖擊速度為25 m/s時，滾石在復(fù)合墊層內(nèi)的最大貫入深度為1.46 m，表明此時滾石已接近下覆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在混凝土頂部中心處形成了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這與袁博等開展的滾石沖擊鋼筋混凝土明洞頂部所得應(yīng)力時程規(guī)律較為相似[17]。而砂土墊層因其剛度較復(fù)合墊層更大并且砂土越受到擠壓，下覆土體反而更加致密，應(yīng)力擴(kuò)散角更大，滾石最大貫入深度僅為0.58 m。

圖18 不同沖擊速度下滾石最大貫入深度

圖19為滾石不同沖擊速度下測點2位移峰值，當(dāng)滾石以一定初速度沖擊至明洞結(jié)構(gòu)時，將導(dǎo)致頂板底部產(chǎn)生位移變化，隨著沖擊速度逐步提升，頂板位移增幅也顯著增大。由圖可知，當(dāng)沖擊速度為5～20 m/s時，EPE-砂土復(fù)合墊層測點2位移峰值明顯小于砂土墊層，當(dāng)沖擊速度為25 m/s時，砂土墊層下覆的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)底部的峰值位移為0.95 mm；而EPE-砂土復(fù)合墊層下覆的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)底部峰值位移顯著增大至1.52 mm。在沖擊速度為5～25 m/s時，砂土墊層下覆頂板位移增長速率較為均勻，而EPE-砂土復(fù)合墊層則在20～25 m/s時，下覆頂板位移增長速率發(fā)生明顯突變。這說明，在本工程案例中當(dāng)滾石沖擊速度大于20 m/s時，厚度比為1∶2(砂土材料厚0.5 m，EPE材料厚1 m)的EPE-砂土復(fù)合墊層已不再適宜。

圖19 不同沖擊速度下測點2位移峰值

2.5 EPE-砂土復(fù)合墊層厚度優(yōu)化分析

通過開展不同滾石沖擊能級下砂土墊層與厚度比值為1∶2的EPE-砂土復(fù)合墊層明洞動力響應(yīng)研究，發(fā)現(xiàn)在本工程案例中，當(dāng)明洞結(jié)構(gòu)遭受滾石最大設(shè)計沖擊能級1 621 kJ(25 m/s)時，EPE-砂土復(fù)合墊層采用復(fù)合比為1∶2，其緩沖耗能效果不如傳統(tǒng)砂土墊層。因此，為進(jìn)一步探究EPE-砂土復(fù)合墊層在較高滾石沖擊能級下的耗能減震效果，擬通過改變復(fù)合墊層中EPE與砂土的厚度比值，開展EPE-砂土復(fù)合墊層耗能減震效果的優(yōu)化研究，具體模擬工況見表3。

表3 復(fù)合墊層厚度比值設(shè)計

由于不同厚度比值的EPE-砂土復(fù)合墊層在滾石沖擊力峰值上差異較小，為提升復(fù)合墊層緩沖減震性能的評價效果，同時采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)頂板測點1應(yīng)力時程曲線、應(yīng)力峰值、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)頂板位移峰值以及引入余志祥等[18]在滾石沖擊橋梁墩柱損傷研究中所提出的體積損傷率ρ作為評價指標(biāo)。

從圖20測點1應(yīng)力時程曲線可以看出，當(dāng)滾石沖擊砂土墊層及不同厚度比值的EPE-砂土復(fù)合墊層時，測點1應(yīng)力曲線表現(xiàn)為先增至峰值，然后快速衰減。在砂土墊層工況下測點1達(dá)到應(yīng)力峰值所對應(yīng)時間約為0.25 s，EPE-砂土復(fù)合墊層測點1應(yīng)力峰值對應(yīng)時間為0.8～1.1 s，這說明相對于砂土墊層，復(fù)合墊層能延緩應(yīng)力峰值的到達(dá)時間。利用EPE材料替換一部分砂土墊層，其測點1處應(yīng)力峰值有所減小，但隨著提升EPE泡沫層占比，應(yīng)力上升幅度開始突然增大，如墊層厚度比值從2∶1(EPE材料0.5 m)改變至1∶1(EPE材料0.75 m)時，測點1應(yīng)力峰值從1.81 MPa增至3.20 MPa，而從1∶1(EPE材料0.75 m)厚度比值變化至1∶2(EPE材料1.5 m)厚度比值時，測點1應(yīng)力峰值從3.20 MPa顯著提升至47.93 MPa。因此適當(dāng)提高一定厚度比例的EPE材料能夠較好地降低滾石沖擊力，減弱滾石沖擊結(jié)構(gòu)帶來的動力效應(yīng)，但若持續(xù)提高EPE厚度占比，其耗能效果不再顯著。

圖20 不同厚度比測點1應(yīng)力時程曲線

同時由圖21可以看出，滾石沖擊力曲線均可分為兩個主波峰階段，但與砂土墊層不同，滾石作用于EPE-砂土復(fù)合墊層所產(chǎn)生的沖擊持續(xù)時間更為持久，在0.12 s左右，這反映出在較高滾石沖擊能級下采用較少EPE泡沫層置換出部分砂土墊層的方式一定程度上能夠起到降低滾石沖擊力峰值的效果，并且形成的復(fù)合墊層結(jié)構(gòu)能夠有效增加滾石沖擊力持續(xù)時間，發(fā)揮更好的能量吸收特性。

圖21 砂土墊層與EPE-砂土復(fù)合墊層(4∶1)滾石

圖22為不同厚度比值EPE-砂土復(fù)合墊層應(yīng)力峰值及位移峰值變化曲線圖，從圖中可以看出測點1處的應(yīng)力峰值與測點2處的位移峰值隨著EPE泡沫層所占比例的增加，呈現(xiàn)出先減小，隨后逐漸增大的趨勢。其中厚度比值為4∶1(砂土材料1.2 m，EPE材料0.3 m)的EPE-砂土復(fù)合墊層受到滾石沖擊后，其下覆主體結(jié)構(gòu)測點的應(yīng)力峰值和位移峰值均為最小，說明厚度比值為4∶1的設(shè)計工況對于減小下覆結(jié)構(gòu)的受力和變形具有更好的效果。

圖22 不同墊層應(yīng)力峰值及位移峰值變化

結(jié)合圖23不同厚度比值墊層下覆混凝土損傷亦可看出，當(dāng)滾石以25 m/s(1 621 kJ)的速度沖擊砂土墊層時，下覆混凝土板產(chǎn)生的受拉及受壓損傷體積分別為0.33%和0.19%。通過將少量EPE材料置換出部分砂土，可有效減少混凝土結(jié)構(gòu)的損傷；但若持續(xù)提升EPE泡沫層置換比例，由于其剛度小，易貫入的特點，反而使得混凝土損傷程度呈現(xiàn)增大的趨勢；其中，當(dāng)復(fù)合墊層EPE厚度在0.3 m(4∶1)、0.5 m(2∶1)及0.75 m(1∶1)條件下，其下覆混凝土板產(chǎn)生的受拉和受壓損傷均小于砂土墊層工況，但若將EPE置換率進(jìn)一步提升，混凝土損傷顯著增大。

圖23 不同厚度比值墊層下覆混凝土損傷程度

因此，綜合考慮滾石沖擊力的緩沖效果以及對下覆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)程度，在數(shù)值試驗所開展不同復(fù)合墊層厚度比值研究中發(fā)現(xiàn)，在本工程案例中，滾石沖擊速度為25 m/s(1621 kJ)時采用厚度比值為4∶1(砂土材料1.2 m，EPE材料0.3 m)的EPE-砂土復(fù)合墊層具有最佳防護(hù)效果。

3 結(jié) 論

本文以EPE-砂土復(fù)合墊層為研究對象，基于物理模型試驗，開展了EPE-砂土復(fù)合墊層明洞結(jié)構(gòu)在滾石沖擊作用下的動力響應(yīng)研究。并以實際工程案例為依托，采用動力有限元計算手段，開展了EPE-砂土復(fù)合墊層在明洞工程中的應(yīng)用和優(yōu)化研究，取得結(jié)論如下：

(1) 物理模型試驗結(jié)果表明：與傳統(tǒng)砂土墊層、純EPE墊層相比，EPE-砂土復(fù)合墊層對于降低滾石沖擊力和減小下覆鋼筋混凝土頂板振動均具有良好效果。

(2) EPE-砂土復(fù)合墊層總厚度一定時，隨著滾石沖擊能級的提高，滾石沖擊力及貫入深度、頂板應(yīng)力及位移等動力響應(yīng)指標(biāo)也相應(yīng)增加；通過增加EPE材料在復(fù)合墊層中所占比例，能夠顯著提高墊層耗能減震效果。然而，當(dāng)EPE厚度超過一定值，其對滾石沖擊力、頂板應(yīng)力以及位移的降低效果表現(xiàn)出減緩趨勢。

(3) EPE-砂土復(fù)合墊層在汶馬高速桑坪隧道明洞工程中的應(yīng)用表明：EPE-砂土復(fù)合墊層可顯著增加滾石沖擊作用持續(xù)時間，減小滾石沖擊力峰值；通過優(yōu)化計算分析，當(dāng)墊層總厚度設(shè)計為1.5 m時，在最大滾石設(shè)計沖擊能級(1 621 kJ)條件下，EPE-砂土復(fù)合墊層采用厚度比值為4∶1(砂土材料1.2 m，EPE材料0.3 m)時具有最佳滾石沖擊防護(hù)效果。