大跨度公路隧道長期穩(wěn)定性分析

1、大跨度公路隧道長期穩(wěn)定性分析6.1 引言前面的分析都是基于巖體的彈塑性本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行的，未考慮時(shí)間效應(yīng)和長期蠕變的影響。前人研究發(fā)現(xiàn)，地下工程開挖后一段很長時(shí)間內(nèi)，支護(hù)或襯砌上的壓力一直在變化，可見巖石的蠕變對于隧道特別是深埋隧道圍巖的變形和長期穩(wěn)定性，具有重要影響78。為保證現(xiàn)場隧道的長期穩(wěn)定運(yùn)行，必須考慮到長期蠕變效應(yīng)。蠕變是當(dāng)應(yīng)力不變時(shí)，應(yīng)力隨時(shí)間增加而增長的現(xiàn)象，是流變效應(yīng)的最重要表現(xiàn)特征。巖石的蠕變曲線有三種主要類型88，見圖6-1。tOABCabcd圖6-1 巖石蠕變曲線圖中三條蠕變曲線是在不同應(yīng)力下得到的，蠕變試驗(yàn)表明，當(dāng)巖石在較小荷載C持續(xù)作用下，變形量雖然隨時(shí)間增長有所增加，但

2、變形速率逐漸減小，最后變形趨于一個(gè)穩(wěn)定的極限值，這種蠕變稱為穩(wěn)定蠕變；當(dāng)荷載A很大時(shí)，變形速率逐漸增加，變形量一直加速增長，直到破壞，蠕變?yōu)椴环€(wěn)定蠕變；當(dāng)荷載較大時(shí)，如圖中的abcd曲線所示，此時(shí)根據(jù)應(yīng)變速率不同，蠕變過程可分為3個(gè)階段：第一階段，如曲線中ab所示，應(yīng)變速率隨時(shí)間增加而減小，故又稱為減速蠕變階段或初始蠕變階段；第二階段，如曲線中bc所示，應(yīng)變速率保持不變，故又稱為等速蠕變階段；第三階段，如曲線中cd所示，應(yīng)變速率迅速增加直到巖石破壞，故又稱為加速蠕變階段。一種巖石既可發(fā)生穩(wěn)定蠕變也可發(fā)生不穩(wěn)定蠕變，這取決于巖石應(yīng)力的大小。超過某一臨界應(yīng)力時(shí)，蠕變向不穩(wěn)定蠕變發(fā)展。小于此臨界應(yīng)力

3、時(shí)，蠕變按穩(wěn)定蠕變發(fā)展，通常稱此臨界應(yīng)力為巖石的長期強(qiáng)度。對巖石隧道來講，由于開挖和支護(hù)導(dǎo)致應(yīng)力重分布，圍巖產(chǎn)生不同的應(yīng)力分布狀態(tài)，在進(jìn)行長期蠕變效應(yīng)分析時(shí)，應(yīng)計(jì)算相應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)力和變形狀態(tài)，判斷其蠕變效應(yīng)。眾所周知，固體本構(gòu)關(guān)系有三種：彈性、塑性和粘性。文獻(xiàn)中，通常將圍巖應(yīng)力小于屈服極限時(shí)應(yīng)力應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系稱為粘彈性問題，將圍巖應(yīng)力大于屈服極限時(shí)應(yīng)力應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系稱為粘塑性問題。研究表明，在隧道開挖完畢后的長期運(yùn)營過程中，大多數(shù)巖石都表現(xiàn)出瞬時(shí)變形（彈性變形）和隨著時(shí)間而增長的變形（粘性變形），即巖石是粘彈性的80；為使巷道維持穩(wěn)定狀態(tài)，人們也總是力圖使圍巖應(yīng)力小于屈服極限。下面采用FL

4、AC軟件進(jìn)行數(shù)值分析，版本為FLAC2D 5.00.355。6.3 彈塑性數(shù)值分析在進(jìn)行粘彈性蠕變分析之前，首先進(jìn)行簡單的彈塑性分析，目的是： 查看隧道開挖完畢后的二維彈塑性位移和應(yīng)力狀態(tài)，與三維分析的模擬結(jié)果相互印證； 為進(jìn)行進(jìn)一步的粘性蠕變分析提供前期理論依據(jù)。(1) 不平衡力記錄圖6-5 Unbalanced Force變化圖對網(wǎng)格中單元與網(wǎng)格點(diǎn)循環(huán)往復(fù)計(jì)算，當(dāng)不平衡力（Unbalanced force）減小到允許值后，認(rèn)為位移與應(yīng)力分別趨向穩(wěn)定常數(shù)。從圖6-5可見，隧道開挖與支護(hù)后，隨著計(jì)算時(shí)步的增加，最大不平衡力在初始階段快速減??；至4000步左右已減至很小并基本穩(wěn)定；循環(huán)至8872

5、步時(shí)，最大不平衡力達(dá)到允許范圍內(nèi)（<10Pa），程序迭代終止。(2) 位移填色圖 圖6-6-1 xdis圖 圖6-6-2 ydis圖圖6-6-1和圖6-6-2顯示了隧道開挖周邊位移分布規(guī)律。預(yù)測的最大垂直位移（ydis）發(fā)生在地表，這說明隧道開挖引起的地表沉陷較大，表現(xiàn)出了淺埋隧道的變形特征。由于隧道洞身以上圍巖強(qiáng)度小于隧道基底圍巖強(qiáng)度，故隧道洞身以上圍巖變形量遠(yuǎn)大于隧道基底變形量。預(yù)測的最大水平位移（xdis）發(fā)生在隧道兩幫位置，說明隧道所受地層仍以垂直地應(yīng)力為主，這符合現(xiàn)場關(guān)于地應(yīng)力的監(jiān)測結(jié)果。(3) 主應(yīng)力填色圖 圖6-7-1 1圖 圖6-7-2 2圖圖6-7-1和圖6-7-2顯示

6、了隧道開挖周邊主應(yīng)力分布規(guī)律。從模擬區(qū)隧道開挖周圍應(yīng)力場分布規(guī)律可見，隧道周邊發(fā)生較大應(yīng)力集中。在拱腳和墻腰處，發(fā)生應(yīng)力集中，壓應(yīng)力達(dá)最大值；在拱頂和底板處出現(xiàn)拉應(yīng)力，且底板達(dá)拉應(yīng)力最大值。(4) 單元狀態(tài)模擬區(qū)單元的彈塑性狀態(tài)（State）如圖6-8所示。圖6-8 State圖由圖6-8可見，開挖并支護(hù)完畢后，模擬區(qū)全部處于彈性狀態(tài)，塑性屈服區(qū)不再存在。這與第3章的三維分析結(jié)果是相符的。鑒于隧道施工完畢后，沒有塑性區(qū)存在。因此本文在進(jìn)一步的蠕變分析中，僅考慮圍巖的粘彈性效應(yīng)，不考慮塑性特征，這在一定程度上可以簡化程序計(jì)算過程，提高計(jì)算效率，也可適應(yīng)FLAC軟件所能提供的蠕變模型要求。6.4

7、粘彈性數(shù)值分析現(xiàn)進(jìn)行隧道的長期粘彈性蠕變分析。6.4.1 FLAC的蠕變分析功能FLAC的蠕變分析選項(xiàng)可用來模擬呈現(xiàn)蠕變性質(zhì)的材料特性。FLAC中有六種蠕變模型，分別為：l 經(jīng)典粘彈性模型（Viscous）；l 二分量冪定義（POwer）；l 用于核廢料隔離研究的WIPP參考蠕變模型（Wipp）；l Buger蠕變模型和Mohr-Columb模型合成的Buger蠕變粘塑性模型（CVisc）；l WIPP模型和Drucker-Prager模型合成的WIPP蠕變粘塑性模型（PWipp）；l 巖鹽的本構(gòu)模型（CWipp）。分析中采用經(jīng)典粘彈性模型。經(jīng)典粘彈性模型即Maxwell體，是最常用的粘彈性模

8、型之一。Maxwell模型有瞬時(shí)應(yīng)變，并隨著時(shí)間增長應(yīng)變逐漸增大，這種模型反映的是等速蠕變。它同時(shí)呈現(xiàn)出粘滯性和彈性特性。從前面的分析可以看出，開挖完成瞬時(shí)圍巖沒有塑性區(qū)存在，因此采用經(jīng)典粘彈性模型可以較好地體現(xiàn)出現(xiàn)場圍巖的蠕變特征。6.4.2 模型建立根據(jù)彈塑性理論，取模擬計(jì)算區(qū)域?yàn)椋鹤?、右邊界取為距原點(diǎn)60m；下邊界取為距原點(diǎn)61m；上邊界取為山體地表平均標(biāo)高距原點(diǎn)69m。模型邊界條件設(shè)定為： 和：x方向固定； ：x和y方向固定；：自由。鑒于模擬區(qū)的上面三層厚度總和僅22.3m；而第四層微風(fēng)化灰?guī)r厚度達(dá)112.7m，隧道全部埋藏在該層中，第四層的影響遠(yuǎn)大于其上面三層。因此僅考慮第四層的彈粘

9、性特征，其它三層（弱風(fēng)化灰?guī)r、強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r和地表土層）仍按彈性考慮，以分清主次，簡化計(jì)算。第層地表土層、第層強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r、第層弱風(fēng)化灰?guī)r的物理力學(xué)參數(shù)見表3-1；第層微風(fēng)化灰?guī)r考慮粘彈性特征，參數(shù)為：E=39810Mpa，=0.21，=27.90KN/m3，TEN=17.66Mpa，粘性系數(shù)VIS=2.4e9Mpa。差分網(wǎng)格采用矩形四節(jié)點(diǎn)二維實(shí)體單元，錨桿采用cable結(jié)構(gòu)單元；初期噴砼支護(hù)采用liner結(jié)構(gòu)單元；二次模筑砼支護(hù)采用beam結(jié)構(gòu)單元。由模擬區(qū)域中心點(diǎn)向四邊的網(wǎng)格點(diǎn)邊長變化率為1.05倍，以實(shí)現(xiàn)對隧道開挖區(qū)域周邊的網(wǎng)格加密。繪出的模型網(wǎng)格圖如圖6-9所示。圖6-9 開挖模型圖應(yīng)用

10、FISH語言編制FLAC-2D模擬程序，程序運(yùn)算結(jié)果如下。6.4.3 開挖瞬時(shí)分析開挖瞬時(shí)分析與蠕變分析由同一個(gè)程序完成，開挖瞬時(shí)分析實(shí)質(zhì)就是蠕變尚未發(fā)生時(shí)的彈性分析，對此只需首先令crdt=0進(jìn)行計(jì)算即可。瞬時(shí)分析的目的是： 與彈塑性分析結(jié)果對比； 查看蠕變產(chǎn)生前的位移和應(yīng)力狀態(tài)； 為進(jìn)行進(jìn)一步的粘彈性二維數(shù)值分析提供前期理論依據(jù)。6.4.3.1 程序模擬結(jié)果(1) 位移填色圖 圖6-10-1 xdis圖 圖6-10-2 ydis圖(2) 主應(yīng)力填色圖 圖6-11-1 1圖 圖6-11-2 2圖(3) 矢量圖繪出隧道周邊的位移矢量圖和主應(yīng)力矢量圖見圖6-12-1和圖6-12-2。 圖6-12

11、-1 隧道周邊位移矢量圖 圖6-12-2 隧道周邊主應(yīng)力矢量圖(4) 歷史記錄 圖6-13-1 Unbalanced Force變化圖 圖6-13-2 his 1his 4變化圖6.4.3.2 模擬結(jié)果簡析從模擬結(jié)果可見，瞬時(shí)彈性計(jì)算的結(jié)果與彈塑性分析的位移和應(yīng)力分布狀態(tài)是一致的。從不平衡力記錄圖上可見，最大不平衡力在循環(huán)計(jì)算至4000步后，已基本減至很小；計(jì)算循環(huán)8586步時(shí)，最大不平衡力達(dá)到允許范圍內(nèi)（<10Pa），各測點(diǎn)位移監(jiān)測值達(dá)到穩(wěn)定，程序迭代終止。各監(jiān)測點(diǎn)穩(wěn)定位移：地表>拱頂>拱腳>墻腰。表明彈性開挖對地表變形影響較大。拱頂（M點(diǎn)）的影響遠(yuǎn)大于拱腳（A）和墻

12、腰（B），這與現(xiàn)場位移的監(jiān)測結(jié)果和三維分析的結(jié)果是一致的。6.4.4 長期蠕變分析蠕變分析中，設(shè)定隧道蠕變總時(shí)間10年（3.154×108s）。1年（3.154×107s）以內(nèi)設(shè)定crdt=1000；1年10年設(shè)定crdt=3000。這樣既可保證1年以內(nèi)的程序運(yùn)算精度；又可提高1年以后的程序運(yùn)算速度，從而能得到10年運(yùn)算結(jié)果。程序總運(yùn)行時(shí)間：1h-51min。6.4.4.1 不平衡力分析圖6-14為不平衡力隨著蠕變時(shí)間的變化圖。圖6-14 Unbalanced Force變化圖監(jiān)測點(diǎn)設(shè)定為現(xiàn)場隧道監(jiān)測點(diǎn)的位置，坐標(biāo)值為：M(0,72.72)，A(8.28,69.28)，B(

13、10.45,65.72)，M(0,130)。選取中間20個(gè)運(yùn)算時(shí)步存儲.sav文件，并作歷史記錄。程序?qū)嶋H預(yù)算時(shí)間為：2h27min（包括瞬時(shí)開挖計(jì)算）。6.4.4.2 位移模擬及分析(1) xdis圖不同蠕變時(shí)間t的xdis位移填色圖如圖6-15-16-15-10。 圖6-15-1 t=30d 圖6-15-2 t=60d 圖6-15-3 t=90d 圖6-15-4 t=0.6y 圖6-15-5 t=1y 圖6-15-6 t=2y 圖6-15-7 t=4y 圖6-15-8 t=6y 圖6-15-9 t=8y 圖6-15-10 t=10y(2) ydis圖不同蠕變時(shí)間t的ydis位移填色圖如圖6

14、-16-16-16-10。 圖6-16-1 t=30d 圖6-16-2 t=60d 圖6-16-3 t=90d 圖6-16-4 t=0.6y 圖6-16-5 t=1y 圖6-16-6 t=2y 圖6-16-7 t=4y 圖6-16-8 t=6y 圖6-16-9 t=8y 圖6-16-10 t=10y(3) 位移矢量圖繪出隧道周邊位移矢量圖如下。圖6-17 t=10y時(shí)隧道周邊位移圖(4) 位移模擬結(jié)果分析分析模擬區(qū)的長期蠕變結(jié)果：開始階段位移填色圖的形態(tài)變化較大，xdis在8年后，ydis在6年后，位移圖基本不再發(fā)生太大變化。在隧道周邊的應(yīng)力集中區(qū)，位移變化相對較大，這是由于該處應(yīng)力較大，圍巖

15、位移穩(wěn)定收斂較慢的緣故，但隧道模擬區(qū)的任何一點(diǎn)，位移值都是趨于收斂的，即此時(shí)的圍巖應(yīng)力均未超過臨界應(yīng)力值。這一結(jié)論與圖6-1中曲線的特征是一致的。就10年后隧道周邊位移的分布情形來看，分布規(guī)律較圖6-8有了較大變化。拱頂?shù)娜渥冃?yīng)最大，其次依次為拱腳底板墻腰，這與拱頂應(yīng)力最大的結(jié)論是相符的。說明拱頂處不僅應(yīng)作為大跨度公路隧道開挖過程分析時(shí)的重點(diǎn)，也應(yīng)作為長期蠕變分析時(shí)的重點(diǎn)。6.4.4.3 監(jiān)測點(diǎn)位移與速率分析表6-4為監(jiān)測點(diǎn)位移及速率隨蠕變時(shí)間變化表。監(jiān)測位移及其速率指：拱頂M的ydis；拱腳A的xdis；墻腰B點(diǎn)的xdis；地表M點(diǎn)的ydis。表6-4 監(jiān)測點(diǎn)位移及速率隨蠕變時(shí)間變化表蠕變

16、時(shí)間(d)監(jiān)測點(diǎn)位移(mm)監(jiān)測點(diǎn)速率(mm/d)M點(diǎn)A點(diǎn)B點(diǎn)M點(diǎn)M點(diǎn)A點(diǎn)B點(diǎn)M點(diǎn)300.390.040.040.382.578E-088.117E-107.292E-102.524E-08450.480.070.060.461.562E-082.115E-091.937E-091.518E-08600.820.100.100.791.721E-081.210E-091.144E-091.551E-08901.040.150.141.001.621E-092.076E-091.971E-091.336E-092192.370.700.432.231.182E-081.803E-091.781E

17、-091.096E-083653.410.960.703.141.056E-081.819E-091.770E-099.360E-096965.311.911.394.544.986E-092.152E-092.088E-093.417E-0911566.532.982.135.283.428E-092.213E-092.140E-091.896E-0914607.683.482.655.883.182E-092.201E-092.131E-091.290E-0917828.554.043.096.523.059E-091.940E-091.720E-099.700E-1021909.404.

18、963.607.072.070E-091.370E-091.190E-097.500E-1025559.825.493.927.561.800E-091.150E-099.700E-106.800E-10292010.106.144.328.111.530E-098.600E-109.700E-105.400E-10328510.406.344.448.451.290E-096.100E-104.700E-102.500E-10365010.536.504.598.551.150E-096.500E-105.000E-102.500E-10據(jù)此繪出監(jiān)測點(diǎn)位移變化和速率變化圖如圖6-18-1和圖6-18-2。圖6-18-1 監(jiān)