地震作用下海底隧道衬砌结构动力研究(3)
图13 衬砌边界关键点y方向速度对比图(2.12 s)
表5 衬砌边界关键点y向速度对比表(2.12 s)0.044 82 0.044 81 0.044 70 0.044 72 1 1 0.003 725 2 2 0.003 426 3 3 0.001 697 4 40.001 558
图14 衬砌边界关键点y方向加速度对比图(2.12 s)
表6 衬砌边界关键点y方向加速度对比表(2.12 s)关键点索引号 对应节点号 加速度(m/s2)-0.062 39-0.062 86-0.062 87-0.062 90对应节点号1 1 -0.062 865 2 2 -0.063 086 3 3 -0.062 847 4 4-0.062 548加速度(m/s2)
从上述图表可以看出,地震动力作用下,2.12 s时,初衬和二衬的边界关键点y方向位移、速度、加速度值比较接近,差值较小,但初衬边界关键点5~8响应位移、速度均大于二衬边界关键点1~4;y方向加速度与地震动力响应加速度方向相反,且初衬结构拱璧上的关键点5~6的y方向响应加速度均小于对应二衬边界相应位置关键点1~2的y方向响应加速度。
5 结论
本文通过对地震作用下海底隧道衬砌结构动力时程进行对比分析,得出如下结论。
①地震作用下,衬砌结构材料的抗剪强度是隧道结构安全的控制性因素,选用衬砌结构材料时应首先满足。
②初衬和二衬y方向地震响应位移、速度、加速度值相差较小,但初衬结构边界对地震动的响应更大;拱脚节点是最危险的关键点,应加强支护和安全监测。
③考虑地震和海水渗流的多场耦合作用下,隧道初衬结构的响应位移、速度和加速度显著降低。
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1 研究背景海底隧道具有较高的经济效益和社会效益,并且兼具军事战略意义等优点。海底隧道地质环境复杂,尤其是在海底软弱渗流岩层中建设隧道,必须要考虑海水渗流和地震的联合作用对隧道衬砌结构安全性和稳定性产生的影响。本文对多场耦合作用下的隧道衬砌结构动力响应进行计算分析,旨在更真实地模拟隧道结构所处的真实生存环境,对评价隧道结构安全具有重要的现实意义。目前,国内外对地震作用对海底隧道的影响的研究越来越多。李术才等[1]对国内外海底隧道衬砌结构型式及对应的支护参数进行了调查和探讨,并利用有限元法具体地对某一海底隧道进行了安全系数计算,并以此为基础,对隧道衬砌结构进行了优化选型,但并未考虑动水压力和动力荷载作用。梁巍[2]在《海底隧道衬砌结构设计》一文中利用ANSYS有限元软件,根据外水压力大小与围岩压力组合下对不同的隧道衬砌断面进行对比分析计算,以得出结构受力最为经济合理的断面形式,并以此断面按荷载结构模式法进行全封闭衬砌结构计算。赵克余[3]对断层作用下跨断层海底隧道的破坏形式和失效模式进行分析和总结,提出了海底隧道在断层作用下安全性能评价指标和评价标准;并在此基础上,完成了不同断层作用下的响应分析、破坏过程以及衬砌结构的安全评价。刘智勇[4]通过室内动力三轴试验、共振柱试验获得了场地实际材料参数指标,在此基础上研究了隧道浅层砂质粉土层的液化性能,并进一步计算和分析了隧道衬砌结构的动力响应内力分布,找出了最大内力的位置。李鹏飞等[5-6]研究了不良地质段海底隧道的透水机制、隧道围岩的失稳模式及地层加固技术,并对海底隧道衬砌结构的安全设计及施工安全评价作了比较详细的阐述。王建新等[7-8]利用围岩强度折减法,对比了不同级别不同类型围岩的安全系数,分析了破碎带围岩内渗水作用和围岩失稳对衬砌结构安全性的影响,计算了不同倾角的破碎带围岩安全系数。Tsuji[9]介绍了日本青函海底隧道的建设问题,并详细描述了为防止隧道透水所采取的成功的措施。Jun[10]等通过计算分析得出围岩的孔隙水压力随围岩渗透率的变化而变化,考虑围岩内的渗流作用,围岩整体强度降低,塑性区相对扩展的结论。本文以海底断裂破碎带的隧道为研究对象,利用有限元软件ADINA模拟分析了在地震作用下,海底隧道衬砌结构的应力分布和动力响应,进一步分析了地震作用下海底隧道衬砌结构的选材条件,并作了安全性评价。2 有限元法的基本原理2.1 ADINA动力有限元分析的基本求解方法利用ADINA进行动力有限元分析时主要采用隐式时间积分法(Implicit Time Integration)。对任意构形的瞬态分析,求解域内自由度相关基本运动方程:式(1)中,[K]为刚度矩阵;[C]为阻尼矩阵;[M]为质量矩阵;{u}为单元节点位移向量;{u˙}为单元节点速度向量;{u¨}为单元节点加速度向量;t为时间增量,在任意时刻t,基本运动方程均应达到平衡状?边界条件考虑海水在岩体内渗流,围岩为赋水岩体,利用有限元法进行动力计算分析时,模型边界条件考虑节点位移和节点孔隙水压力等两类边界条件 位移边界条件。参照刘晶波[11]等在《一致粘弹性人工边界及粘弹性边界单元》一文中的理论,本文选用粘弹性人工边界,二维一致粘弹性边界基本参数为:式(2)中,KBN、KBT分别为法向和切向弹簧刚度;CBN、CBT分别为法向与切向阻尼器的阻尼系数;G为介质剪切模量;R为波源至人工边界点的距离;ρ为介质密度;αN、αT分别为法向与切向粘弹性边界修订系数,通常取αN=0.8~1.2,αT=0.35~0.65,本文中取αN=1.0,αT=0.5;cp、cs分别为介质的P波与S波波速,其计算公式如下:式(4)和式(5)中,E、υ分别为介质的弹性模量和泊松比;λ、μ分别为拉梅第一、第二参数,计算公式为:2.2.2 赋水岩土中孔隙水压力的边界条件。本文将多孔介质围岩中孔隙水压力的边界条件简化为完全透水边界条件。在ADINA中设置完全透水边界,比较真实地还原了实际情况,不会影响最终计算结果。3 计算模型3.1 计算参数本文选用衬砌混凝土的本构模型为线弹性本构模型;围岩的本构关系为Mohr-Coulomb材料模型,取海水密度为1.025×103kg/m3,隧道分析的基本材料参数如表1和表2所示。表1 混凝土材料参数衬砌类别初衬二衬弹性模量E/GPa 25 30泊松比μ 0.17 0.20重度 γ(kN/m3)25.00 25.00表2 围岩材料参数围岩性质弹性模量E/GPa剪切模量G/MPa泊松比μ重度γ(kN/m3)粘聚力c/kPa内摩擦角 φ /°渗透系数K(m/d)孔隙率n/%多孔介质207 0000..20.5非多孔介质207 0000.— —3.2 计算模型计算模型取隧道拱跨为14.5 m,主隧高11.5 m,复合衬砌结构上覆围岩厚度25 m,围岩上覆海水深度20 m,衬砌结构两侧围岩范围分别取5倍隧跨,底部取5倍隧高[12]。在ADINA中海面设置为自由液面;水平地震动力作用下,将海水与上覆岩层的接触面设置为流-固耦合边界;设置围岩的位移边界为粘弹性人工边界。取αN=1.0,αT=0.5,代入相关参数到式(2)可得出:KBN=7.44×107N·S/m,KBT=3.72×107N·S/m,CBN=1.2×107N/m,CBT=7.58×106N/m。计算模型如图1所示。计算分析过程中,在隧道易于破坏的位置设置8个关键点。网格划分完成后,这8个关键点与网格节点的对应关系如表3所示。关键点分布如图2所示。图1 计算模型表3 关键点与网格节点对应表关键点1 2 3 4 5 6 7 8网格节点5 313 5 333 5 363 5 413 4 792 4 812 4 842 4 894图2 关键节点布置图ADINA中地震动力计算流体模型和结构模型分别如图3和图4所示。图3 流体计算有限元模型图4 结构计算有限元模型3.3 求解过程3.3.1 水平地震荷载的输入。选用El-Centro SN波,持续时间为10 s,其地震加速度峰值为0.341 7 g,约为3.35 m/s2,峰值不作调整,地震加速度时程曲线如图5所示。图5 El-Centro加速度时程3.3.2 计算方案。计算过程为:先进行固结计算,在此基础上重新启动,加入地震荷载进行动力计算。迭代方法与收敛准则:使用Full Newton Method迭代法,选用位移收敛准则,求解过程如式(7)、式(8)和式(9)所示:在每个迭代步中,采用上述三个方程对有限元的求解过程进行线性化处理。式(7)中,ΔR(i-1)表示当前迭代步的荷载向量;R表示外荷载;F表示节点内力。式(8)中,t+ΔtK(i-1)表示当前迭代步的切向刚度矩阵。通过式(8)可以求解下一迭代步的位移增量ΔU(i)。通过式(9)可以求解下一迭代步的位移。4 计算结果分析地震加速度在2.12 s时达到最大峰值,此时衬砌结构的动力反应最大,安全性与稳定性最低,因此,本文取2.12 s时的动力响应结果进行分析 应力计算结果地震作用下,海底隧道衬砌结构计算应力云图如图6至图11所示。图6 初衬结构有效应力云图(2.12 s)图7 二衬结构有效应力云图(2.12 s)图8 初衬结构最大剪应力云图(2.12 s)图9 二衬结构最大剪应力云图(2.12 s)图10 初衬结构最大主应力云图(2.12 s)图11 二衬结构最大主应力云图(2.12 s)对比图6和图7可以看出,初衬结构的最大有效应力为2.875 MPa,二衬结构的最大有效应力为6.025 MPa,均出现于拱脚关键点3的对称位置上。对比图8和图9可以看出,初衬结构的最大剪应力为1.465 MPa,二衬结构的最大剪应力为3.262 MPa,均出现于拱脚关键点3的对称位置上。对比图10和图11可以看出,初衬结构的最大主压应力为3.620 MPa,二衬结构的最大有效应力为6.756 MPa,均出现于拱脚关键点3的对称位置上。根据施士昇《混凝土的抗剪强度、剪切模量和弹性模量》[13]中剪切模量的计算方法,综合以上计算结果,最大有效应力和最大主压应力远小于衬砌结构所采用的混凝土材料抗压强度,最大剪应力与衬砌结构材料的抗剪强度接近,因此,地震作用下,衬砌结构材料的抗剪强度是隧道衬砌结构安全的控制性因素,选材时应特别注意;2.12 s时,最大有效应力、最大剪应力、最大主应力均出现于拱脚关键点3的对称位置上,施工过程中应特别加强拱脚位置的连续监测和快速衬砌?衬砌结构位移、速度、加速度对比分析选取隧道初衬结构边界关键点为研究对象,分析衬砌结构位移、速度、加速度。地震作用下,外边界关键点位移、速度、加速度对比如图12至图15以及表4至表6所示。图12 衬砌边界关键点y方向位移对比图(2.12 s)表4 衬砌边界关键点y方向位移对比表(2.12 s)0.004 41 0.004 46 0.004 41 0.004 65 1 2 3 4 1 2 3 4 5 6 7 8 0.004 73 0.004 86 0.005 06 0.004 72图13 衬砌边界关键点y方向速度对比图(2.12 s)表5 衬砌边界关键点y向速度对比表(2.12 s)0.044 82 0.044 81 0.044 70 0.044 72 1 1 0.003 725 2 2 0.003 426 3 3 0.001 697 4 40.001 558图14 衬砌边界关键点y方向加速度对比图(2.12 s)表6 衬砌边界关键点y方向加速度对比表(2.12 s)关键点索引号 对应节点号 加速度(m/s2)-0.062 39-0.062 86-0.062 87-0.062 90对应节点号1 1 -0.062 865 2 2 -0.063 086 3 3 -0.062 847 4 4-0.062 548加速度(m/s2)从上述图表可以看出,地震动力作用下,2.12 s时,初衬和二衬的边界关键点y方向位移、速度、加速度值比较接近,差值较小,但初衬边界关键点5~8响应位移、速度均大于二衬边界关键点1~4;y方向加速度与地震动力响应加速度方向相反,且初衬结构拱璧上的关键点5~6的y方向响应加速度均小于对应二衬边界相应位置关键点1~2的y方向响应加速度。5 结论本文通过对地震作用下海底隧道衬砌结构动力时程进行对比分析,得出如下结论。①地震作用下,衬砌结构材料的抗剪强度是隧道结构安全的控制性因素,选用衬砌结构材料时应首先满足。②初衬和二衬y方向地震响应位移、速度、加速度值相差较小,但初衬结构边界对地震动的响应更大;拱脚节点是最危险的关键点,应加强支护和安全监测。③考虑地震和海水渗流的多场耦合作用下,隧道初衬结构的响应位移、速度和加速度显著降低。参考文献:[1]李术才,徐帮树,李树忱.海底隧道衬砌结构选型及参数优化研究[J].岩石力学与工程学报,2005(21):3894-3902.[2]梁巍.海底隧道衬砌结构设计[J].岩石力学与工程学报,2007(S2):3835-3840.[3]赵克余.断层作用下跨断层海底隧道的数值模拟与分析[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2018.[4]刘智勇.海底水工隧道的抗震安全性研究[D].上海:同济大学,2008.[5]李鹏飞.海底隧道围岩稳定性分析与控制研究[D].北京:北京交通大学,2011.[6]李鹏飞,张顶立,李兵,等.海底隧道施工过程中围岩稳定性的流-固耦合分析[J].中国铁道科学,2010(3):35-41.[7]王建新,郑颖人,包林海.存在局部破碎带条件下海底隧道渗透稳定性分析[J].隧道建设,2011(4):457-462.[8]王建新,王思敬,王在泉,等.海底隧道稳定性分析[J].工程勘察,2008(2):4-7.[9]Tsuji H,Sawada T,Takizawa inundation accidents in the Seikan undersea tunnel[J].International Journal of Rock Mechanics and 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文章来源:《世界地震工程》 网址: http://www.sjdzgczz.cn/qikandaodu/2021/0207/409.html