考虑断层错动-地震动共同作用的隧道结构力学响应分析.pdf
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1、考虑断层错动-地震动共同作用的隧道结构力学响应分析现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.60,No.4(Total No.411),Aug.2023第60卷第4期(总第411期),2023年8月出版文章编号:1009-6582(2023)04-0095-11DOI:10.13807/ki.mtt.2023.04.011收稿日期:2023-03-07修回日期:2023-04-13基金项目:国家自然科学基金(52168057).作者简介:赵大能(1976-),男,高级工程师,主要从事公路工程方面的研究与管理工作,E-mail:.通讯作者:任志华(19
2、78-),男,博士,正高级工程师,主要从事隧道检测、试验与研究工作,E-mail:.考虑断层错动-地震动共同作用的隧道结构力学响应分析赵大能1王 毅2任志华3(1.云南省曲靖公路局,曲靖 655000;2.昭通市交通建设工程质量安全监督局,昭通 657000;3.云南省公路科学技术研究院,昆明 650051)摘要:依托某高速公路跨小江活动区次级断层隧道工程,基于波动理论和数值分析方法,考虑围岩-结构-断层间的相互作用,构建隧道错动-地震动响应有限元模型,研究在已有逆断层错动基础上、不同地震动强度下隧道支护结构体系的力学响应特征,并进一步分析断层破碎带宽度、断层倾角、上下盘岩体质量对结构力学响应
3、的影响规律。结果表明:在逆断层错动-地震动作用下,衬砌结构损伤首先出现在断层破碎带内的墙脚部位,衬砌墙脚应力及位移变化大,受损程度更严重;在相同位错和地震动强度下,墙脚部位严重损伤分布范围是其他典型部位的24倍,墙脚及断层破碎带为设防最不利部位;随地震动强度的增加,断层带宽度减小、断层倾角增加、岩体上下盘与破碎区围岩质量差异越大,衬砌损伤程度及损伤分布范围均明显增大,应力集中的现象加重,应力幅值的波动增大,应力震后残留和断层错动面的位移突变现象越明显。关键词:公路隧道;组合支护结构;逆断层;错动-地震动作用;力学响应中图分类号:U451+.4文献标识码:A引文格式:赵大能,王 毅,任志华.考虑
4、断层错动-地震动共同作用的隧道结构力学响应分析J.现代隧道技术,2023,60(4):95-105.ZHAO Daneng,WANG Yi,REN Zhihua.Mechanical Response Analysis for Tunnel Structure Considering the Interaction ofFault Dislocation and Seismic MotionJ.Modern Tunnelling Technology,2023,60(4):95-105.1引 言我国西南地区活动断层发育,地震频发1。断层活动不仅诱发地震,在历次强震中跨断层隧道结构的震害也尤为严
5、重2,3。随着交通强国战略的持续推进,在西部山区交通建设中出现了越来越多的穿越活动断层的隧道4,隧道结构面临断层活动和强地震动的影响。为保障跨断层隧道的结构体系安全,提升其抗错减震的性能,近年来,国内外学者在穿越活断层隧道的错动及地震响应机理、抗错减震措施等方面进行了颇为丰富的研究。陈海亮等5研究分析了断层宽度和断层倾角及其随机共同作用下衬砌错动的响应规律。丁祖德等6建立力学模型,分析了逆断层错动下 ECC 衬砌和 RC 衬砌的力学响应及抗错性能。甘星球等7依托实际工况,对断层错动和地震作用下隧道地震响应及减震措施进行模拟研究。崔光耀等8依托在汶川地震中破损的跨断层隧道,研究了破碎区域隧道的衬
6、砌破坏机理。Ding等9通过引入高性能材料,构建了新型抗震组合支护结构,探究了结构的地震响应规律和抗震适用性。Sabagh等10将斜入射地震动转成等效节点力并作用到有限元的模型边界上,推导了具备任意入射角度的平面P波等效节点力的公式。李守刚11利用模型试验,在设置减震层措施下,对隧道的衬砌抗错效果及破坏规律展开了研究。李平恩等12基于断层软化的特性,建立地震的力学模型来分析汶川地震机理,主要探究了断层倾角与断层参数造成的地震失稳影响。综上,目前跨断层隧道抗减震研究中,较少考虑错动和地震动的联合作用,也很少针对组合抗错减震结构,断层错动与地震动联合作用下的隧道支护95考虑断层错动-地震动共同作用
7、的隧道结构力学响应分析现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第60卷第4期(总第411期),2023年8月出版Vol.60,No.4(Total No.411),Aug.2023体系力学响应特征尚不明确。基于此,本文依托某穿越活动断层的高速公路隧道工程,采用数值模拟方法,研究隧道支护体系在逆断层错动-地震动联合作用下的力学响应特征、损伤行为及其参数敏感性,为跨越活动区断层隧道的结构设计与施工提供参考和建议。2工程概况本文依托跨越小江断裂区次级断层的隧道工程,断层性质是逆断层,断层带的两侧岩体较为破碎,宽30 m,断层倾角80。工程资料显示,该段隧道的地震
8、烈度为度,地震动的峰值加速度是0.2g。为简化计算量,错动位移量的选取基于依托工程及相关资料文献,取为0.10 m。隧道的支护结构包括初期支护结构(由C25混凝土喷射层、锚杆及钢筋网和I20a钢拱架等组成)和二次衬砌结构(C30钢筋混凝土),隧道衬砌结构的横断面详见图1。图1 衬砌断面Fig.1 Cross section of tunnellining为提高隧道的抗减震性能,通常在抗震设防段的衬砌节段间布置减震缝,在衬砌外则施作减震层,据现有研究成果,减震缝的较优间距在612 m13,14之间,减震层选用软质橡胶,其较优厚度取值1020 cm,弹性模量为 100300 MPa8,15,16。
9、结合相关研究成果,本文提出了由减震缝和减震层以及衬砌节段组成的抗错减震支护体系,将模型轴向的中心断面作为基准,前后各设三段衬砌段(长72 m)为抗震布防段,其减震缝依托工况而定,间距为12 m;减震层厚度由原先依托工程的5 cm改进为20 cm,弹性模量取100 MPa。衬砌节段以及改进后的支护体系设置如图2所示。图2 抗错减震结构示意Fig.2 Schematic diagram of anti-dislocation and shock-absorbing structure3隧道断层错动-地震响应力学模型3.1有限元模型的建立结合依托工程地质情况,考虑错动和地震动联合作用,构建出三维的计
10、算模型,具体如图3所示。模型尺寸取200 m(长)100 m(宽)100 m(高);隧道埋深取50 m,断层带的宽度取30 m,断层的倾角为80。模型中不考虑初期支护的作用,隧道开挖时固定约束围岩变形,衬砌施作后约束解除。选取混凝土的损伤模型对二次衬砌的震后损伤行为进行描述,围岩的模拟采用M-C弹塑性模型。衬砌与围岩均选取三维八节点缩减积分实体单元来模拟。钢筋选取植入式桁架单元,将钢筋和混凝土视为两者协同变形,为提高计算的效率,对钢筋进行适当简化。图3 穿越断层隧道三维地震响应计算模型Fig.3 3D seismic response calculation model for tunnelc
11、rossing a fault断层错动面的位置被设在破碎带的中部,以库仑接触模型实现破碎带与岩体上、下盘之间以及断层错动面之间的彼此作用,法向接触为硬接触,切向摩擦系数设置为0.317,18,不考虑围岩与衬砌之间的彼此脱离作用,即将两者视为协同变形,衬砌节段间(减震缝)切向的摩擦系数设置为0.2。模型边界的反射问题使用无限元人工边界来消除。衬砌混凝土采用塑性损伤模型(CDP模型),该96考虑断层错动-地震动共同作用的隧道结构力学响应分析现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.60,No.4(Total No.411),Aug.2023第60卷第4期
12、(总第411期),2023年8月出版模型利用混凝土单轴拉压下应力-应变的关系来表示混凝土软化应变规律,混凝土的损伤程度采用损伤变量来进行描述,能较好凸显混凝土力学行为的非线性19。依据现有设计规范20,21,可明确C30混凝土单轴受拉下应力-应变的关系。通过相关规范,得到C30混凝土具体参数如表1所示,依据混凝土材料塑性损伤模型(CDP模型)及混凝土结构设计规范,可得混凝土损伤值与应力-应变之间的关系如图4所示。表1 C30混凝土材料参数Table 1 Parameters of C30 concreteC30混凝土单轴拉伸单轴压缩屈服应力/MPa1.5412屈服应变/(%)0.005 10.
13、04峰值应力/MPa2.222.5峰值应变/(%)0.010.15极限应力/MPa0.182.0极限应变/(%)0.192弹性模量/GPa30泊松比0.2图4 C30混凝土损伤、应力-应变曲线Fig.4 C30 concrete damage and stress-strain curve上下盘岩体等级及断层的破碎带模拟采用摩尔-库仑弹塑性模型,对应的力学参数如表2所示。表2 围岩和破碎带的力学参数Table 2 Mechanical parameters of surrounding rock andfractured zone材料级围岩级围岩级围岩断层破碎带弹性模量/GPa6.03.01.
14、00.5密度/(kgm-3)2 4002 1001 8001 600黏聚力/MPa1.100.250.120.02泊松比0.270.320.350.42内摩擦角/()44292220数值模拟中,钢筋采用弹塑性模型,建模时运用Truss形式,将其内置到混凝土中,视为二者之间的协同变形没有相对滑移。参照相关设计规范20,21,得出HRB400钢筋的材料参数如表3所示。3.2人工边界及地震动输入对隧道等地下结构进行有限元三维模拟动力计算时,采用人工边界可以有效防止因地震波在边界处发生反射引起的失真22,目前的人工边界有无限表3 钢筋材料相关参数Table 3 Relevant parameters
15、of rebar materials弹性模量/GPa200泊松比0.3屈服强度fy/MPa400屈服应变y/(%)0.2极限强度fu/MPa540极限拉应变u/(%)7.5元边界23和黏弹性边界24等。无限元边界在动力分析中使用时,假定其附近只存在很小且在弹性范围的动力响应。基于R.Ungless提出的无限元模拟无限区域边界及其可与有限元结合的相关理念,本文计算中,采用无限元人工边界,限于篇幅,人工边界理论及推导过程详见文献25,26。根据依托工程的场地类别,地震动的输入一般选用对应场地类别的地震记录,为能更好地贴近实际地震时的响应特征并简化计算过程,本次计算选用典型的Imperial Val
16、ley地震波作为样例进行分析,其频率分布范围为0.510 Hz,持时为1060 s。经过了基线调零与滤频处理,选定0.2g为基本地震动峰值加速度,其时程曲线见图5。3.3阻尼特征97考虑断层错动-地震动共同作用的隧道结构力学响应分析现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第60卷第4期(总第411期),2023年8月出版Vol.60,No.4(Total No.411),Aug.2023图5 Imperial Valley地震波加速度的时程曲线Fig.5 Acceleration-time curve of Imperial Valley seismicw
17、ave在动力计算过程中,选取瑞利阻尼来表征围岩和隧道体系的阻尼特征,阻尼比取5%,其表达公式为:C=M+K(1)式中:M为质量矩阵;K为刚度矩阵;C为阻尼矩阵;为质量比例系数;为刚度比例系数。、可由式(2)计算。=2n1n+1(2)=21()n+1 1(3)式中:1为一阶场地自振频率;n为大于e/1的一个奇数,其中e是卓越频率;为阻尼比,取5%。3.4模拟步骤及计算工况错动-地震动响应模拟分为四个步骤,第一步是平衡地应力,减小计算时的模型误差;第二步是模拟隧道的开挖和支护,开挖模拟具体是采用移除系统模型内隧道区域单元的方式来实现,而支护结构搭建则是在开挖后添加隧道的结构单元来实现,考虑到计算工
18、作量的简化,采取了一次性全断面开挖与支护;第三步是错动模拟,在模型的上盘底部强制施加黏滑错动的位移,以此模拟断层的位错效果;第四步是地震响应的模拟。错动和地震动是造成跨活动断层隧道破坏的首要因素。由于地震诱发断层活化产生错动,隧道结构会受到断层错动和地震动的共同作用,为分析二者联合作用下隧道支护结构的响应特征,根据相关研究成果27,28及调查数据29,取断层错动位移为10 cm,主要考虑了0.2g、0.3g和0.4g的地震动强度。考虑了断层宽度、断层倾角和上下盘岩体质量三个因素,其中,断层宽度考虑10 m、20 m和30 m;断层倾角考虑60、70和80;上下盘岩体质考虑级、级和级。具体计算工
19、况如表4所示。表4 计算工况Table 4 Calculation cases工况1346791012错动位移/cm10101010地震动强度0.2g0.2g0.2g0.2g/0.3g/0.4g断层宽度/m10/20/30303030断层倾角/()8060/70/808080围岩级别/4隧道结构断错-地震动响应特征分析4.1结构损伤响应错动位移为10 cm时,不同地震动强度下,沿隧道轴线的衬砌结构损伤分布如图6所示。衬砌各个典型部位在隧道轴向上的损伤分布统计结果如表5所示。从图6可看出,断层上盘在错动10 cm后,地震动的峰值加速度取0.2g、0.3g时,衬砌严重损伤的范围仅存在于墙脚或墙脚到
20、拱肩部位,损伤开裂重点集中在墙脚部位,且该部位衬砌开裂的范围较小,在边墙、拱肩以及其余部位上基本没有出现严重损伤。当地震动的峰值加速度升至0.4g时,隧道衬砌图6 抗震设防段衬砌损伤分布云图Fig.6 Distribution contour of lining damage in seismic fortification section98考虑断层错动-地震动共同作用的隧道结构力学响应分析现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.60,No.4(Total No.411),Aug.2023第60卷第4期(总第411期),2023年8月出版表5 衬
21、砌典型部位沿轴线的损伤分布Table 5 Damage distribution along the axis of typicallining parts损伤拉损伤压损伤错距+地震动强度10 cm+0.2g10 cm+0.3g10 cm+0.4g10 cm+0.2g10 cm+0.3g10 cm+0.4g拱顶/m14283691022拱肩/m122530192330边墙/m123138132628墙脚/m6886102444854仰拱/m325256233536开始显现环向贯穿损伤,严重损伤的范围从墙脚到拱顶,损伤的范围依旧集中在墙脚,损伤的程度增大,衬砌也开始出现了环状开裂。由表5分析发现
22、,相同条件下,本文支护结构的拉损伤范围均大于压损伤的分布范围,体现出混凝土抗压而不抗拉的材料力学性能,在断层错距不变的条件下,伴随地震动强度提高,衬砌各个典型部位损伤的分布范围亦会有所增加,尤其是墙脚部位损伤范围的增加会更加明显。在错动 10 cm 与不同地震动的强度联合作用下,衬砌墙脚损伤沿隧道轴向的分布如图7所示。图7 衬砌墙脚损伤沿线分布曲线Fig.7 Distribution curve of lining wall foot damage along the axis由图7可知,拉压损伤范围均集中在断层的错动面以及其相邻部位,墙脚沿轴线的损伤分布伴随地震动强度的增大有递增的趋势,且损
23、伤的峰值也逐步增加。衬砌拉损伤的峰值在相同位置下大于压损伤,破坏以受拉破坏为主。4.2结构应力响应在错动 10 cm 与不同地震动强度的联合作用下,墙脚部位的主应力在隧道轴向上的分布如图8所示。由图8可知,在断层错动和不同的地震烈度联合作用下,主应力在破碎带区域内存在明显的集中现象,且应力峰值重点分布于破碎带以及其相邻部位,应力变化和损伤分布的规律基本保持一致。伴随地震动强度的增大,墙脚沿线上的最大主应力波动越大;对于相同位置,最小主应力的幅值明显增大,加速度愈大,最小主应力的变化越大,其变化值超过0.2 MPa。图8 衬砌墙脚沿轴线主应力的分布曲线Fig.8 Distribution cur
24、ve of principal stress of lining wall foot along the axis99考虑断层错动-地震动共同作用的隧道结构力学响应分析现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第60卷第4期(总第411期),2023年8月出版Vol.60,No.4(Total No.411),Aug.20234.3结构位移响应图9为衬砌墙脚沿隧道轴线的竖向位移曲线,由图9可知,在断层错动和不同的地震强度联合作用下,衬砌墙脚沿轴线的竖向位移伴随震动强度增大呈现出不同程度增加,在断层的错动面周围位移变化尤为明显,伴随地震动的强度增大,衬砌竖向位
25、移的突变值也随之增大。因此,在实际工程中应考虑加强设防。5 结构响应的参数敏感性分析图9 衬砌墙脚沿轴线位移的分布曲线Fig.9 Distribution curve of displacement of lining wall footalong the axis结合依托工程及相关资料文献,在逆断层上盘强制施加0.1 m的位移,且将通过调幅和滤频后的0.2g峰值加速度的地震荷载施加到模型底部,分析断层带宽度、倾角及不同岩体的上下盘特征等各类参数对隧道支护体系响应的影响机理。5.1断层宽度的影响为探究不同的断层宽度引起的隧道结构响应规律,取断层宽度为10 m、20 m和30 m,其余工况保持不
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