地震作用下軟弱夾層對(duì)洞室圍巖穩(wěn)定的影響分析

1、地震作用下軟弱夾層對(duì)洞室圍巖穩(wěn)定的影響分析    摘要：本文采用有限單元法研究分析了軟弱夾層的存在對(duì)在地震作用下地下洞室圍巖穩(wěn)定的影響。文中選取了一城門型隧洞為研究對(duì)象，通過軟弱夾層與圍巖的多種組合，重點(diǎn)研究分析了隧洞各關(guān)鍵點(diǎn)的位移影響系數(shù)和應(yīng)力影響系數(shù)，結(jié)果顯示軟弱夾層的存在對(duì)地下洞室在地震作用下既有減震作用也有放大效應(yīng)，并總結(jié)得出了各種狀況中軟弱夾層對(duì)地震作用下地下洞室圍巖穩(wěn)定的影響程度及規(guī)律，為地下洞室的抗震設(shè)計(jì)提供參考意見。關(guān)鍵詞：軟弱夾層; 地下洞室; 地震響應(yīng)1.引言以往人們認(rèn)為地下結(jié)構(gòu)在地震作用下不破壞或受到較少破壞，在地下工程的抗震方面研

2、究較少?？山陙?lái)，隨著地下結(jié)構(gòu)震害的頻繁出現(xiàn)，地下結(jié)構(gòu)抗震問題日益受到世界各國(guó)地震工作者的高度重視，特別是1995 年日本阪神大地震后，神戶市地鐵結(jié)構(gòu)發(fā)生了嚴(yán)重的破壞，引起眾多地震學(xué)者的關(guān)注，使地下結(jié)構(gòu)抗震研究出現(xiàn)前所未有的熱潮,成為地震工程界重要的研究方向1-4。在地下洞室建設(shè)時(shí)應(yīng)盡量避開斷層、軟弱夾層等不穩(wěn)定巖體，但還是很難完全遠(yuǎn)離。本文采用有限元方法研究軟弱夾層位于洞室周邊對(duì)地震作用下洞室圍巖穩(wěn)定性的影響。分析時(shí)以無(wú)軟弱夾層的洞室在同一地震波作用下的響應(yīng)值為基準(zhǔn)值，研究洞室各關(guān)鍵部位的響應(yīng)值，比較得到有軟弱夾層時(shí)洞室在地震作用下的位移影響系數(shù)和應(yīng)力影響系數(shù)，以期得到地震作用下軟弱夾層對(duì)洞

3、室圍巖穩(wěn)定的影響。2.分析模型選取一城門型的洞室為研究對(duì)象，模型區(qū)域取100m×100m，洞室埋深取為38m，所取計(jì)算區(qū)域兩側(cè)采用一維無(wú)限單元來(lái)模擬無(wú)限邊界，底部采用固定支座，地震加速度從基巖底部水平輸入，模型如圖1 所示，洞室圍巖關(guān)鍵點(diǎn)如圖2 所示，參數(shù)取值如表1、2 所示。圖 計(jì)算模型簡(jiǎn)圖 圖 各關(guān)鍵點(diǎn)示意圖2表1 圍巖的物理力學(xué)參數(shù)類型 密度(kg/m3) 彈性模量(Pa) 泊松比 摩擦角（°） 粘聚力(Pa) 2800 2.05E+10 0.18 80 4.00E+6 2700 1.50E+10 0.22 50 1.80E+6 2600 6.00E+09 0.28

4、40 1.20E+6 2500 3.00E+09 0.32 28 8.00E+5表2 軟弱夾層的物理力學(xué)參數(shù)密度（kg/m3） 彈性模量(Pa) 泊松比 摩擦角（°） 粘聚力（Pa）2185 3.00E+04 0.36 30 7.00E+43.軟弱夾層距開挖輪廓線的距離對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響軟弱夾層與地下洞室開挖輪廓線之間距離是軟弱夾層影響地下洞室穩(wěn)定的重要因素之一。這里研究分布在洞底的軟弱夾層，離地下洞室開挖輪廓線之間的距離分別為0.2、0.5、1.0 及2 倍洞徑。計(jì)算得到各關(guān)鍵點(diǎn)的位移影響系數(shù)如圖3 和應(yīng)力影響系數(shù)如圖4。軟弱夾層距洞室開挖輪廓線距離(m)0 2 4 6 8 10 1

5、2 14 16 18 20 22位 移 影響 系 數(shù).4.5.6.7.8.91.01.11.2ABCDEFGH軟弱夾層距洞室開挖輪廓線距離(m)0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22應(yīng) 力 影響 系 數(shù)01020304050ABCDEFGH圖3 距洞室不同距離時(shí)的位移影響系數(shù) 圖4 距洞室不同距離時(shí)的應(yīng)力影響系數(shù)由圖3 可以看出軟弱夾層距洞室周邊距離對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)的位移影響較大，隨著軟弱夾層遠(yuǎn)離洞室底部，大多數(shù)關(guān)鍵點(diǎn)處的位移影響系數(shù)都在逐漸減少，在距洞室2m 處邊墻中點(diǎn)C 位移影響系數(shù)最大，約為無(wú)夾層時(shí)位移的1.1 倍，同時(shí)，軟弱夾層對(duì)各關(guān)鍵點(diǎn)的位移影響差別也相對(duì)較大，而隨著夾

6、層遠(yuǎn)離洞室，位移影響系數(shù)逐漸減少，說明軟弱夾層有放大地震響應(yīng)而變?yōu)槠鸬娇拐鸬淖饔?。由圖4 可以看出，軟弱夾層對(duì)應(yīng)力影響最大的距離在距洞室10m 以內(nèi)，在距洞室5m 左右使得邊墻中點(diǎn)C 和G 應(yīng)力急劇增加，最大值約為無(wú)夾層時(shí)應(yīng)力的60 倍，而當(dāng)軟弱夾層距洞室距離超過10m 以后，應(yīng)力影響系數(shù)則逐漸趨于平穩(wěn)。4.軟弱夾層的分布部位對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響對(duì)于地下洞室而言，軟弱夾層的分布部位是其影響地下洞室穩(wěn)定的主要關(guān)注的重要因素之一。從關(guān)鍵塊體理論方面來(lái)看，軟弱夾層與地下洞室相對(duì)位置的不同，所形成的關(guān)鍵塊體也就不同，最終造成地下洞室的安全系數(shù)差異很大。這里研究軟弱夾層分布在拱頂、拱肩、3邊墻及洞底對(duì)洞室圍

7、巖穩(wěn)定的影響，其分布如圖5 所示，以下1、2、3 和4 分別代表軟弱夾層位于洞頂、洞肩、邊墻及洞底四種情況。計(jì)算得到各關(guān)鍵點(diǎn)的位移影響系數(shù)如圖6 和應(yīng)力影響系數(shù)如圖7。圖5 軟弱夾層的分布位置示意圖軟 弱 夾 層 分布 部 位 位 移 影響 系 數(shù).4.6.81.01.21.41.61.8 ABCDEFGH軟 弱 夾 層 分布 部 位 應(yīng) 力 影響 系 數(shù)0100200300400500ABCDEFGH圖6 分布于不同部位時(shí)的位移影響系數(shù) 圖7 分布于不同部位時(shí)的應(yīng)力影響系數(shù)由圖6 可以看出，軟弱夾層位于洞肩和洞室邊墻時(shí)對(duì)洞室圍巖關(guān)鍵點(diǎn)的水平最大位移影響較大，尤其當(dāng)夾層位于邊墻時(shí)，圍巖的各關(guān)鍵

8、點(diǎn)影響系數(shù)均達(dá)到最大值，且位移影響系數(shù)差別也較大，此時(shí)由于軟弱夾層的存在而可能使洞室圍巖位移過大而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞，當(dāng)軟弱夾層位于洞肩時(shí)，C 點(diǎn)和其他各關(guān)鍵觀測(cè)點(diǎn)的位移影響系數(shù)差別達(dá)到最大值，在軟弱夾層位于洞底時(shí)，幾乎各關(guān)鍵觀測(cè)點(diǎn)的位移影響系數(shù)都小于1，此時(shí)軟弱夾層起到抗震作用。由圖7 可以看出，軟弱夾層位于洞頂時(shí)，邊墻中點(diǎn)的應(yīng)力影響系數(shù)達(dá)到最大值，其余幾種情況相對(duì)于這種情況來(lái)說差別相對(duì)較小，除邊墻中點(diǎn)應(yīng)力變化較大外，其余的各關(guān)鍵點(diǎn)最大應(yīng)力值有逐漸增加的趨勢(shì)，但變化較平緩。5.軟弱夾層的厚度對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響軟弱夾層的厚度是軟弱夾層的主要特征之一，軟弱夾層的厚度在不同的地質(zhì)條件下，有很大的離散性，

9、從幾毫米到十幾米甚至幾十米，這里研究軟弱夾層本身的厚度對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響，軟弱夾層位于地下洞室底部2m 處，厚度分別取為0.5m、1m、2m、4m，圍巖應(yīng)力場(chǎng)的側(cè)壓力系數(shù)為取k=0.8，圍巖類型取為類圍巖。計(jì)算得到各關(guān)鍵點(diǎn)的位移影響系數(shù)如圖8和應(yīng)力影響系數(shù)如圖9。由下圖8 可以看出，除兩邊墻中點(diǎn)外，其余各點(diǎn)位移影響系數(shù)均隨軟弱夾層厚度的增加而減小，且除左邊墻上的點(diǎn)外，洞室圍巖各關(guān)鍵點(diǎn)的影響系數(shù)均小于1，即軟弱夾層對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震是有利的，但當(dāng)軟弱夾層厚度為2m 左右時(shí)，兩側(cè)邊墻中點(diǎn)位移影響系數(shù)差別較大，圖中可以看出，由于軟弱夾層的存在，而使得邊墻中點(diǎn)C 最大位移得到放大的作用，應(yīng)當(dāng)引起我們注意。由下

10、圖9 可以看出，在軟弱夾層厚度為2m 時(shí)，兩邊墻中點(diǎn)C 和G 的最大主應(yīng)力值為無(wú)4夾層時(shí)的25 倍左右，此時(shí)，其余各關(guān)鍵點(diǎn)的最大主應(yīng)力影響系數(shù)差別不大，但可以看出，由于軟弱夾層的存在而使得關(guān)鍵點(diǎn)的最大主應(yīng)力值明顯增大，在軟弱夾層為0.5m、1m 以及4m 時(shí)應(yīng)力影響系數(shù)也都在3-12 之間。軟 弱 夾 層 厚 度 (m)0 1 2 3 4 5位 移 影響 系 數(shù)0.800.850.900.951.001.051.101.15ABCDEFGH軟 弱 夾 層 厚 度 (m)0 1 2 3 4 5應(yīng) 力 影響 系 數(shù)051015202530ABCDEFGH圖8 不同厚度的位移影響系數(shù) 圖9 不同厚度

11、的應(yīng)力影響系數(shù)6.軟弱夾層類型的變化對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響軟弱夾層類型的變化對(duì)洞室圍巖地震響應(yīng)有一定影響，這里研究在軟弱夾層本身類型的變化對(duì)洞室最大位移和最大主應(yīng)力的影響，如同圍巖一樣，設(shè)軟弱夾層類別從好到差的順序依次為、類，其參數(shù)取值見表3 所示。計(jì)算取類圍巖，軟弱夾層厚度取2m，位于距洞室底部2m 處，圍巖應(yīng)力場(chǎng)側(cè)壓力系數(shù)k=0.8 。計(jì)算得到各關(guān)鍵點(diǎn)的位移影響系數(shù)如圖12 和應(yīng)力影響系數(shù)如圖13。表3 軟弱夾層的物理力學(xué)參數(shù)軟弱夾層類型 密度(kg/m3) 彈性模量(Pa) 泊松比摩擦角（°） 粘聚力(Pa) 2280 1.00E+08 0.35 40 6.00E+05 2250 5

12、.00E+07 0.38 37 3.00E+05 2200 3.00E+07 0.41 32 1.00E+05 2185 3.00E+04 0.42 29 8.00E+04軟 弱 夾 層 類 型 位 移 影響 系 數(shù)0.800.850.900.951.001.051.101.15ABCDEFGH軟 弱 夾 層 類 型 應(yīng) 力 影響 系 數(shù)051015202530ABCDEFGH圖10 不同夾層的位移影響系數(shù) 圖11 不同夾層的應(yīng)力影響系數(shù)5由圖10 可知，當(dāng)軟弱夾層為第類軟弱夾層時(shí)，由于軟弱夾層的存在，使得洞室圍巖關(guān)鍵點(diǎn)的位移影響系數(shù)波動(dòng)較大，而隨著軟弱夾層類別的降低，位移影響系數(shù)呈現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)

13、。由圖11 可知，軟弱夾層和圍巖參數(shù)相差不大時(shí)，如軟弱夾層為第類軟弱夾層時(shí)，點(diǎn)C 和點(diǎn)G 的應(yīng)力約為無(wú)夾層時(shí)的25 倍，而軟弱夾層類別減小到一定程度，雖然軟弱夾層與圍巖的參數(shù)取值差別越來(lái)越大，但應(yīng)力影響系數(shù)變化不大。7.結(jié)論軟弱夾層的存在勢(shì)必影響地下洞室的地震響應(yīng)，通過以上的研究分析，軟弱夾層對(duì)地震作用下地下洞室圍巖穩(wěn)定的影響可歸結(jié)為：1 軟弱夾層距洞室周邊開挖輪廓線距離不同，影響系數(shù)也不一樣，并且軟弱夾層距洞室底部開挖輪廓線某一距離時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震較為有利。2地震作用下軟弱夾層位于洞室邊墻和底板時(shí)結(jié)構(gòu)比較危險(xiǎn)，而當(dāng)軟弱夾層位于洞肩對(duì)結(jié)構(gòu)抗震相對(duì)有利。3 在含有軟弱夾層圍巖中的地下結(jié)構(gòu)，軟弱夾層類

14、別的變化對(duì)洞室圍巖的地震        響應(yīng)以及地下結(jié)構(gòu)的安全有一定的影響，一般來(lái)說，軟弱夾層參數(shù)類別越高，對(duì)地下結(jié)構(gòu)抗震越不利。4 在邊墻中點(diǎn)的位移較大，而邊墻腳點(diǎn)以及底板中點(diǎn)的最大主應(yīng)力較大。 6參考文獻(xiàn)1 張蔑. 隧道震害綜述A.鐵道工程建設(shè)科技動(dòng)態(tài)報(bào)告文集C. 中國(guó)鐵道出版社，1993.2 林皋.中國(guó)地震工程研究進(jìn)展M，北京:地震出版社，1992.3 葉世強(qiáng).肖揚(yáng). 地下工程震害與防治M. 中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào).1993，Vol.4 No.4.4 潘昌實(shí).隧道及地下結(jié)構(gòu)物抗震問題研究概況J. 世

15、界隧道. 1996.Study on the Stability Analysis of Surrounding Rock ofUnderground Caverns by the weak interbed in theEarthquakeYuan Da, Li JinboCollege of Civil Engineering, HoHai University, Nanjing (210098)AbstractIn this paper, finite element method is used to study analyzed the presence of weak interl

16、ayer under theaction of the earthquake underground rock cavern stability. This paper selected a gate-type tunnel as theresearch object, through the soft rock with a variety of combinations, focusing on research and analysisthe key points of the tunnel displacement and stress influence coefficient. The influence coefficientresults showed that the presence of weak interlayer to underground cavern under the earthquake mayenlarge the role of earthquake response or damping effect, then summarizes th