隧道與地下工程荷載計算的研究現(xiàn)狀

1、 隧道與地下工程荷載計算的研究現(xiàn)狀 摘要：目前，我國的科技發(fā)展十分迅速，開挖荷載計算是關(guān)系到隧道與地下工程設(shè)計準(zhǔn)確性和可靠性的重要因素，長期以來都受到巖土工程界的高度關(guān)注回顧了隧道與地下工程荷載計算方法發(fā)展的三個階段，即基于結(jié)構(gòu)力學(xué)的經(jīng)典計算方法、巖土力學(xué)彈塑性理論的計算方法以及基于施工力學(xué)的開挖應(yīng)力釋放計算方法，并分析了各種計算方法的優(yōu)缺點和實用性，同時認(rèn)為基于開挖應(yīng)力釋放理論的計算方法由于機(jī)理明確、計算精度高，是未來發(fā)展的方向關(guān)鍵詞：地下工程;荷載計算;應(yīng)力釋放引言隨著人們對隧道圍巖力學(xué)特性認(rèn)識的逐漸深入，普遍趨向于認(rèn)為圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的存在，但對其結(jié)構(gòu)性的判定依據(jù)和描述方法尚處于探索階段，尚

2、無系統(tǒng)完整的認(rèn)識，因此也給支護(hù)荷載計算帶來困難。本文基于圍巖的漸進(jìn)破壞、結(jié)構(gòu)性及其工程影響特點，提出了“復(fù)合圍巖結(jié)構(gòu)”的觀點。按照圍巖穩(wěn)定性及其荷載效應(yīng)作用機(jī)制的不同，將隧道圍巖劃分為深層圍巖和淺層圍巖兩大區(qū)域，而深層圍巖有時或由多組圍巖結(jié)構(gòu)組成，呈現(xiàn)階段性失穩(wěn)和周期性破壞的特點，并就其判別原則、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性特點、范圍確定方法及其影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)研究。建立了基于復(fù)合圍巖結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)分析模型，明確了深淺層圍巖的荷載作用模式，獲得了完整的圍巖變形全過程特性曲線，提出了相應(yīng)的荷載效應(yīng)計算方法和步驟。1列車振動傳播規(guī)律的研究列車運行時，輪軌之間的相互撞擊是產(chǎn)生列車振動的主要原因。振動從軌道開始通過軌

3、道扣件和道床傳到路基，再由路基傳向地下結(jié)構(gòu)，引發(fā)地下結(jié)構(gòu)附近巖土體的振動。列車運行時產(chǎn)生的振動一般情況下認(rèn)為是在地面上由一連串移動式作用點迭加作用形成的，因此可視其為移動性的線狀振源即線振源它是一類振幅變化不大的環(huán)境振動，也是一種穩(wěn)態(tài)振動。列車運行對大地產(chǎn)生的振動主要以三種波的形式傳播，即橫波、縱波和表面波，其傳播的形態(tài)也較為復(fù)雜。目前，中外學(xué)者對振動的傳播規(guī)律已經(jīng)作了大量研究工作。對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的振動進(jìn)行了研究，得出的結(jié)論是:基巖層的阻尼因子極小，不利于振動衰減，故其振級最高;振動波在硬土中衰減較慢，在軟土中衰減較快。研究表明:位于地下2m深處振動加速度值為地表的20%-50%;4m深處為1

4、0%30%，可見在車輛運行產(chǎn)生的環(huán)境振動中，表面波占主要地位。由于能量的擴(kuò)散以及周圍巖土體對振動能量的吸收作用，振動波在傳播時會衰減。2隧道與地下工程荷載計算的研究現(xiàn)狀2.1圍巖失穩(wěn)模式與范圍進(jìn)入殘余區(qū)的圍巖，若不及時地加以支護(hù)，在重力和外界擾動的綜合作用下，則會出現(xiàn)局部圍巖垮落而脫離圍巖母體。由于重力的影響，拱腰上下不同部分圍巖往往呈現(xiàn)不同的失穩(wěn)模式，上部圍巖具有產(chǎn)生向下的垮落趨勢，而下部圍巖則會產(chǎn)生類似于邊坡失穩(wěn)的滑移趨勢，最終垮落區(qū)和滑移區(qū)在隧道周圍共同形成一個整體的無法自穩(wěn)區(qū)域。2.2巖柱理論當(dāng)隧道埋置深度極淺或采用明挖施工時，由于上覆巖土難以形成承載拱，通常認(rèn)為隧道結(jié)構(gòu)所承受的荷載為

5、上覆巖土體的全部重量，此時采用巖柱理論直接進(jìn)行荷載計算但大量實踐表明，埋置深度稍大時，完全采用上覆巖土體重量計算的隧道荷載大于實際荷載，因此在實際計算中認(rèn)為作用在隧道結(jié)構(gòu)上的荷載為上覆巖土體重量減去兩側(cè)滑動面上的摩擦力和黏聚力該計算方法物理意義明確，計算公式簡便，但其計算值隨埋深線性增加，對于埋深相對較大的隧道，計算結(jié)果偏于保守，也不能合理反映隧道荷載產(chǎn)生的機(jī)理，一般適用于隧道埋置深度極淺或采用明挖法修建的隧道2.3裂縫深度對襯砌承載力的影響根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，從裂縫特征、試件破壞過程、短期剛度、極限荷載4個方面進(jìn)行比較。(1)破壞荷載根據(jù)試驗結(jié)果，不同損傷位置裂縫開展荷載比例，預(yù)制裂縫2深度為h/

6、3、h/2時，試件第一到第三條裂縫的開裂荷載比例(2910%4055%)低于無裂縫試件相應(yīng)裂縫開展時的荷載比例(3149%4486%)。壓皺出現(xiàn)時，帶預(yù)制裂縫的試件的荷載比例(6638%7216%)稍低于無裂縫試件的荷載比例7246%。最終各試件的破壞均為右拱肩外側(cè)受壓破碎導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)失去承載能力。(2)短期剛度不同預(yù)制裂縫深度條件下。加載過程中，隨裂縫深度增加，試件荷載剛度曲線逐漸下移。非外力因素(施工、環(huán)境等)引起的裂縫對偏壓荷載承載力的影響比較大。隨著裂縫深度的加大，損傷襯砌結(jié)構(gòu)剛度減小。2.4開挖應(yīng)力釋放理論為探究開挖內(nèi)力變化和開挖變形的關(guān)系，開展了大量砂的加卸載室內(nèi)模型試驗和三軸試驗

7、，發(fā)現(xiàn)散體材料卸載過程中由于顆粒間摩擦、咬合等自鎖作用，變形發(fā)展表現(xiàn)為典型的三階段特性，即惰性(微變形)階段、加速(快速變形)階段和劇變(大變形)階段卸載條件下顆粒體系細(xì)觀接觸力釋放與室內(nèi)試驗中砂土內(nèi)應(yīng)力釋放規(guī)律一致表明散粒體卸載響應(yīng)在宏觀和細(xì)觀上均可用“惰性、劇變和加速”三階段特性加以描述換言之，存在一個臨界卸載值，當(dāng)卸載量小于該臨界值時，介質(zhì)的內(nèi)應(yīng)力幾乎不釋放，卸載引起的變形極小通常內(nèi)摩擦越大，臨界卸載值越大為同時考慮初始地應(yīng)力及開挖后土體卸載的三階段特性，該模型將傳統(tǒng)的“彈簧”與“圣文南”元件并聯(lián)，圣文南元件作為判斷應(yīng)力釋放的工具，但其上的應(yīng)力不是定值，而是參考庫侖摩擦元件的計算方法與連

8、續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析采用的微元體思路不同，由于散粒體的內(nèi)摩擦力參與荷載傳遞，必須在微元體中增加摩擦分量因此，將八面體剪應(yīng)力引入以表征單次加卸載情況下顆粒間的摩擦作用力，并利用虛功原理建立了顆粒間摩擦作用與卸載應(yīng)力釋放特性的關(guān)系，將應(yīng)力釋放效應(yīng)對開挖荷載的影響等效成為修正開挖卸載階段材料的彈塑性本構(gòu)關(guān)系矩陣，從而實現(xiàn)了考慮卸載摩擦效應(yīng)的開挖問題計算方法2.5深層圍巖結(jié)構(gòu)層穩(wěn)定性分析在工程實踐中，結(jié)構(gòu)層是每組圍巖穩(wěn)定性的控制性巖層，如果第一組圍巖的結(jié)構(gòu)層能保持長期穩(wěn)定，則淺層圍巖范圍不再擴(kuò)大；反之任何結(jié)構(gòu)層的失穩(wěn)都將形成新一輪的大范圍的圍巖失穩(wěn)和破壞過程，表現(xiàn)為淺層圍巖范圍的擴(kuò)大，直至發(fā)展到下一個結(jié)構(gòu)層

9、又達(dá)到一個新的相對穩(wěn)定階段。內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)層的失穩(wěn)通常伴隨著一定范圍內(nèi)圍巖的垮落和松動，本質(zhì)上是拱結(jié)構(gòu)軸線的外移，實現(xiàn)地層荷載向外側(cè)更大范圍的巖層中傳遞，以實現(xiàn)新的平衡。事實上，每組圍巖中結(jié)構(gòu)層的力學(xué)性態(tài)轉(zhuǎn)化和失穩(wěn)模式都是類似的，客觀上也都將造成支護(hù)荷載的增大，但由于每組巖層的厚度、巖性構(gòu)成以及細(xì)觀結(jié)構(gòu)的差異性，圍巖失穩(wěn)和破壞所產(chǎn)生的影響和控制的難度也會不同。結(jié)語1)基于極限平衡法的結(jié)構(gòu)力學(xué)經(jīng)典計算方法這類方法認(rèn)為襯砌結(jié)構(gòu)承受地層松動荷載，荷載明確，計算簡便，但僅能計算作用于地下結(jié)構(gòu)上的極限荷載，無法考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用和施工過程的影響，計算參數(shù)的取值也依賴經(jīng)驗，計算結(jié)果與實際情況差別較大，通常偏于保守2)基于巖土力學(xué)彈塑性理論的計算方法考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用，共同承受地層荷載，采用連續(xù)介質(zhì)的彈塑性理論計算荷載(應(yīng)力)，能部分或全部模擬地下工程的施工過程，但應(yīng)力釋放系數(shù)這一直接影響計算結(jié)果的參數(shù)，常按經(jīng)驗取值，其理論基礎(chǔ)尚不充分3)基于施工力學(xué)的荷載計算新方法從細(xì)觀顆粒尺度描述了開挖應(yīng)力釋放產(chǎn)生的機(jī)理，認(rèn)為土體開挖后出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力釋放，圍巖內(nèi)應(yīng)力的釋放伴隨地下工程施工全過程，能夠描述土體卸載的