硅藻土地层隧道基底钢管桩加固前后结构动力响应.pdf
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1、第 63 卷 第 7 期2023 年7 月铁道建筑Railway EngineeringVol.63 No.7July 2023文章编号:10031995(2023)07010905硅藻土地层隧道基底钢管桩加固前后结构动力响应李岩1 张帅2 章慧健2 方伟1 高文山31.中国铁路设计集团有限公司,天津 300308;2.西南交通大学 土木工程学院,成都 610031;3.中铁十八局集团有限公司,天津 300222摘要 依托飞凤山隧道工程,采用数值模拟方法研究了列车动荷载作用下硅藻土地层隧道基底微型钢管桩加固前后的动力响应特性,并引用经验公式预测了隧道长期沉降。结果表明:基底加固前后,列车动荷载
2、作用下隧道结构振动加速度响应峰值均依次为仰拱 墙脚 拱顶 拱肩 边墙,动位移响应峰值均依次为仰拱 墙脚 边墙 拱肩 拱顶;采用钢管桩加固后,隧道结构振动加速度和动位移响应程度都得到明显控制,仰拱处的振动加速度响应峰值和动位移响应峰值分别减小了14.46%和30.58%;硅藻土地层隧道车致长期沉降主要发生在运营期前两年,钢管桩加固基底可有效减少隧道长期沉降。关键词 铁路隧道;硅藻土地层;隧道基底加固;动力响应;数值模拟;振动加速度;动位移;长期沉降中图分类号 U459.1 文献标识码 A DOI:10.3969/j.issn.10031995.2023.07.21引用格式:李岩,张帅,章慧健,等
3、.硅藻土地层隧道基底钢管桩加固前后结构动力响应 J.铁道建筑,2023,63(7):109113.硅藻土是由硅藻、黏土矿物、碎屑矿物及少量有机物组成的一种特殊地层,具有结构性强、孔隙比大、密度小、压缩性高、遇水易崩解软化等工程特性1。在干湿交替、外界扰动等情况下,硅藻土的原生结构容易受到破坏,结构强度显著降低,造成边坡失稳、地基沉陷等地质灾害。方遥越2分析了硅藻土结构特征对其物理力学特性的影响,发现独特的多孔微观结构是造成硅藻土压缩性高、结构性强的内因。郭长宝等3对重塑硅藻土开展了环剪试验,发现天然原状硅藻土的抗剪强度大,受到扰动后结构强度明显降低,易发生滑坡等斜坡变形破坏现象。张永双等4对腾
4、冲芒棒地区硅藻土力学特性进行了研究,发现该区域的硅藻土属于轻质强膨胀性软岩,具有显著的膨胀崩解性。综合上述对硅藻土物理力学特性的研究成果可知硅藻土具有结构性强、压缩性高、显著的膨胀崩解性等特点,属于软弱围岩。相关学者对铁路工程穿越硅藻土地层的设计施工方案也进行了研究。范俊怀5等对杭绍台铁路(杭州经绍兴至台州)穿越硅藻土段的线路方案进行了比选,确定了平面取直、纵断面为短隧高桥的设计方案。韩建文、王飞等6-7对不同桩型加固硅藻土路基开展了试验研究,分析了水泥粉煤灰碎石桩、素混凝土桩、钢筋混凝土桩和螺杆桩对硅藻土路基的适宜性和沉降变形规律。李岩等8开展了硅藻土地层隧道基底处理现场试验,得出钢管桩具有
5、施工效率高、承载能力强、成桩效果好、抗沉降能力强等特点,适用于硅藻土隧道的基底加固。既有研究主要在硅藻土力学特性及基底加固试验两领域,而对硅藻土地层隧道结构动力响应特性的研究较少。本文依托飞凤山隧道工程,采用数值模拟方法分析硅藻土地层隧道基底钢管桩加固前后的动力响应特性,研究成果可为相似工程的设计和施工提供参考。1 工程概况及硅藻土物理力学特性 杭绍台铁路飞凤山隧道位于浙江省嵊州市境内,为单洞双线隧道,长1 331 m,起止里程DK84+449 DK85+780。地层从上至下依次为杂填土、全风化玄武岩、白色硅藻土、蓝色硅藻土、黑色硅藻土,隧道进、出口段均穿越硅藻土地层。隧道宽度和高度分别为15
6、.00、12.68 m,见图1。结构支护参数见表1。为揭示硅藻土基本特性,采集大量试样,见图2。开展现场直剪试验和室内土工试验,参数见表2。收稿日期:2022-07-06;修回日期:2022-09-22第一作者:李岩(1982),男,高级工程师。E-mail:通信作者:章慧健(1982),男,副教授,博士。E-mail:铁道建筑第 63 卷嵊州硅藻土结构性强,压缩性高,承载力较低,遇水软化崩解后力学性能急剧下降,工程特性差。若隧道基底不采取加固措施,通车运营后,在列车动荷载长期作用下极有可能导致硅藻土地基承载力不足,出现不均匀沉降,进而造成衬砌开裂、渗漏,严重威胁列车运行安全。2 隧道基底钢管
7、桩加固方案依托工程选用微型钢管桩进行基底加固6-8,梅花形布置,桩长、桩径和桩间距分别为16 m、194 mm和60 cm 80 cm(横向纵向)。选用无缝钢管,直径和壁厚分别为159、6 mm。桩顶设置0.50 m厚的C25混凝土作为褥垫层,形成复合地基,褥垫层与仰拱固结,仰拱初期支护钢架下方设1620 cm 20 cm钢筋网片。钢管桩布置如图3所示。3 隧道基底加固前后结构动力响应3.1计算模型采用FLAC 3D有限差分软件,分析基底加固前后隧道对列车动荷载的响应。为减少边界效应影响,模型尺寸取150 m(长)80 m(宽)90 m(高),长度方向沿隧道两侧各取5倍洞径9。为了准确模拟振动
8、波在土壤中的传播,采用八节点六面体网格单元,尺寸小于输入荷载频率所对应波长的1/810,模型共215 840个单元和229 635个节点,见图4。边界条件采用静态黏性边界以抑制模型边界的振动波反射现象,阻尼采用瑞利阻尼。3.2计算参数隧道主要穿越白色和蓝色硅藻土,本文选取力学参数较差的白色硅藻土为研究对象。围岩采用弹塑性本构模型,服从MohrCoulomb屈服准则,隧道衬砌及轨道采用线弹性结构单元,围岩及支护结构参数见图3隧道基底钢管桩布置示意图4数值分析模型图1隧道断面(单位:cm)表1隧道结构支护参数类别初期支护二次衬砌喷混凝土钢筋网锚杆钢架拱墙仰拱支护材料C25钢筋混凝土8钢筋网22中空
9、注浆锚杆HW175型钢C35钢筋混凝土C35钢筋混凝土厚度或规格0.30 m8 mm 200 mm 200 mm4.0 m 1.2 m(环)1.0 m(纵)0.80 m/榀0.55 m0.65 m图2硅藻土现场取样表2硅藻土物理力学参数类型白色样蓝色样黑色样密度/(gcm-3)1.501.621.61黏聚力/kPa256030内摩擦角/()182617抗压强度/MPa1.001.321.19基本承载力/kPa150500300110第 7 期李岩等:硅藻土地层隧道基底钢管桩加固前后结构动力响应表3。其中,初期支护的钢拱架(H型钢)弹性模量折算给喷混凝土一起考虑11,计算方法为E=E0+SgEg
10、Sc(1)式中:E为折算后混凝土弹性模量;E0为原混凝土弹性模量;Sg为钢拱架截面面积;Eg为钢材弹性模量;Sc为混凝土截面面积。钢管桩采用pile单元,通过法向、切向耦合弹簧模拟桩-土相互作用。钢管桩参数依据文献 12 取值,见表4。3.3列车动荷载模拟采用车辆-轨道耦合动力学模型13确定列车动荷载,选取德国高速铁路低干扰谱作为列车振动激励源,对两辆列车以时速300 km/h相向而行(最不利情况)进行仿真模拟。车辆-轨道动力学参数见表5。计算得到的轨道扣件反力时程曲线(图5)用于模拟钢轨上的列车动荷载。3.4计算结果分析考虑结构模型边界影响,选取沿模型纵向中间位置的横断面进行分析。因为结构受
11、力对称,布置隧道拱顶、拱肩、边墙、墙脚、仰拱共5个测点,如图6所示。3.4.1振动加速度响应特征列车动荷载作用下,基底加固前后隧道各测点的振动加速度响应时程曲线见图7,振动加速度响应峰值见图8。可知:基底加固前后隧道结构动力响应规律相同,振动加速度响应峰值均依次为仰拱 墙脚 拱顶 拱肩 边墙,即峰值从仰拱到边墙逐渐减小,从边墙到拱顶逐渐增大,此规律和文献 14 实测数据基本一致;基底采用钢管桩加固后,隧道结构各测点动力响应程度均有所降低,仰拱处的振动加速度响应峰值由 1.611 m/s2减小到 1.378 m/s2,降低了14.46%,说明钢管桩加固对隧道结构的振动响应有较好的改善作用。表3围
12、岩及支护结构参数类别围岩结构杂填土全风化玄武岩白色硅藻土蓝色硅藻土黑色硅藻土初期支护二次衬砌仰供填充轨道板钢轨弹性模量/MPa10502030402.30 1043.15 1042.80 1043.35 1042.06 105泊松比0.350.290.180.230.210.200.200.200.200.30重度/(kNm-3)18.015.815.016.216.123.025.023.025.078.0黏聚力/kPa1616256030内摩擦角/()2517182617厚度/m313242030表4钢管桩参数弹性模量/MPa2.06 105泊松比0.20重度/(kNm-3)23.5法向耦
13、合弹簧刚度/(MPam-1)1.3 105黏结力/kPa1.0 103摩擦角/()25切向耦合弹簧刚度/(MPam-1)1.3 105黏结力/kPa1.0 107摩擦角/()21表5车辆-轨道动力学参数参数车体质量/t转向架质量/t轮对质量/t钢轨弹性模量/GPa钢轨每米质量/kg钢轨泊松比轨道板弹性模量/GPa轨道板密度/(kgm-3)轨道板泊松比取值483.22.4206600.333.52 5000.2参数车体转动惯量/(tm2)车长/m轴距/m一系悬挂垂向刚度/(Nm-1)一系悬挂垂向阻尼/(Nsm-1)二系悬挂垂向刚度/(Nm-1)二系悬挂垂向阻尼/(Nsm-1)轨下胶垫垂向刚度/(
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