膨脹土在管片結(jié)構(gòu)中的變形和內(nèi)力分析

膨脹土在管片結(jié)構(gòu)中的變形和內(nèi)力分析

1膨脹土問(wèn)題。在中國(guó),設(shè)膨脹土是地質(zhì)過(guò)程中形成的多裂縫和具有明顯收縮特征的地質(zhì)體。它吸收、膨脹、失業(yè)收縮并多次變形。大量的工程實(shí)踐表明,在膨脹土地層中修建的各種工程建筑物往往產(chǎn)生不均勻的豎向或水平脹縮變形,造成位移、開(kāi)裂、傾斜甚至破壞。我國(guó)是膨脹土分布最廣的國(guó)家之一,在華南、東南地區(qū)以及西北、西南的局部地區(qū)都分布有膨脹土,遍布20多個(gè)省、區(qū),因此修建的鐵路及公路主干線將不可避免地穿越膨脹土地區(qū)。據(jù)對(duì)湖南、湖北、廣西、云南、江蘇等省區(qū)的膨脹土調(diào)查發(fā)現(xiàn),在膨脹土地區(qū)修筑的構(gòu)筑物均不同程度地受到膨脹土的影響而破壞,既表現(xiàn)在地表結(jié)構(gòu)物上,也反映在地下工程中,因此膨脹土問(wèn)題受到了國(guó)內(nèi)巖土工程界的普遍關(guān)注。成都地鐵2號(hào)線自天府廣場(chǎng)以東各區(qū)間均分布有膨脹土或膨脹巖,本文將針對(duì)修建在膨脹土地層中的盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析,并對(duì)膨脹前后的結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力進(jìn)行比較,提出相應(yīng)措施和對(duì)策。2膨脹土的主要影響因素按照巖土工程基本術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50279-98)定義,膨脹力是土體在不允許側(cè)向變形情況下充分吸水,使其保持不發(fā)生豎向膨脹所需施加的最大壓力值。按力學(xué)概念,膨脹力是指增加含水率而保持體積不變產(chǎn)生的力,是隨含水率增加而變化的。膨脹力大小受礦物成分、結(jié)構(gòu)、起始干密度、應(yīng)力變化以及含水率等因素的影響,是膨脹土的重要工程特性指標(biāo)之一。膨脹土膨脹效應(yīng)產(chǎn)生的作用于實(shí)際襯砌結(jié)構(gòu)上的徑向壓力顯然與膨脹力是不等的,為便于區(qū)分,稱之為膨脹接觸壓力,它的大小受諸多因素的影響,與隧道的埋深、膨脹土的分布位置(相對(duì)于結(jié)構(gòu))及厚度、膨脹力及自由膨脹率的大小、膨脹前后土體物性參數(shù)的改變量以及襯砌結(jié)構(gòu)的剛度等因素有關(guān),膨脹接觸壓力與這些因素的具體關(guān)系可以采用有限元數(shù)值模擬來(lái)研究,即將土體的膨脹應(yīng)變作為溫度荷載,通過(guò)在隧道開(kāi)挖過(guò)程的應(yīng)力場(chǎng)中加入溫度場(chǎng)來(lái)模擬隧道開(kāi)挖襯砌施作后,膨脹圍巖吸水產(chǎn)生膨脹,膨脹接觸壓力作用在隧道結(jié)構(gòu)上這一過(guò)程,從而獲得各種情況下的膨脹接觸壓力大小和分布模式。關(guān)于這一問(wèn)題,本文不做研究,讀者可參考有關(guān)文獻(xiàn)。本文旨在探討膨脹土位于不同位置時(shí),在不同的膨脹接觸壓力下盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力情況。3隧道下膨脹接觸壓力根據(jù)膨脹土所處的位置,并假設(shè)膨脹土在隧道開(kāi)挖后發(fā)生了膨脹,可以考慮表1中的幾種工況:工況1為隧道周圍不存在膨脹土的情況(管片結(jié)構(gòu)上不存在膨脹接觸壓力);工況2為膨脹土位于隧道下方(拱底90°范圍內(nèi)分布有膨脹接觸壓力);工況3為膨脹土位于隧道上方(拱頂90°范圍內(nèi)分布有膨脹接觸壓力);工況4為膨脹土位于隧道單側(cè)(左側(cè)或右側(cè),隧道右側(cè)90°范圍內(nèi)分布有膨脹接觸壓力);工況5為膨脹土位于隧道兩側(cè)(隧道左右兩側(cè)90°范圍內(nèi)均分布有膨脹接觸壓力);工況6為隧道完全處于膨脹土中的情況(隧道整環(huán)360度范圍內(nèi)都分布有膨脹接觸壓力)。計(jì)算中將膨脹接觸壓力分為30kPa、60kPa、90kPa、120kPa、150kPa5個(gè)等級(jí),并假設(shè)為均勻分布來(lái)研究。4計(jì)算條件4.1管片襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法確定根據(jù)襯砌結(jié)構(gòu)與地層相互作用方式的不同假設(shè),隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法可大致分為兩類,即荷載-結(jié)構(gòu)法和地層-結(jié)構(gòu)法。目前,國(guó)內(nèi)外隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要以荷載-結(jié)構(gòu)法為主。根據(jù)計(jì)算過(guò)程中對(duì)管片接頭的不同力學(xué)處理方式,以及對(duì)管片接頭剛度、縱向螺栓內(nèi)力傳遞和外荷載分布形式的不同假定,盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法又可以主要分為慣用法、修正慣用法、多鉸圓環(huán)法和梁-彈簧模型法等四種計(jì)算方法。其中,梁-彈簧模型法相對(duì)于其它方法能夠較為精確地反應(yīng)管片結(jié)構(gòu)的受力。本計(jì)算采用荷載結(jié)構(gòu)模式的梁-彈簧模型法,如圖1和圖2所示。運(yùn)用Ansys有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,用曲梁?jiǎn)卧M管片環(huán)襯砌結(jié)構(gòu)體,用旋轉(zhuǎn)彈簧單元模擬管片接頭的抗彎效應(yīng),用剪切彈簧單元模擬環(huán)間接頭的剪切效應(yīng),用只能受壓的徑向彈簧單元和切向彈簧單元來(lái)模擬盾構(gòu)襯砌環(huán)與周圍土體的相互作用,這些單元受拉時(shí)自動(dòng)脫離,彈簧單元的剛度由襯砌周圍土體的地基抗力系數(shù)決定。4.2管片厚度0.3m計(jì)算以目前國(guó)內(nèi)地鐵單線區(qū)間盾構(gòu)隧道為例,即內(nèi)徑多為5.4~5.6m,幅寬1.2~1.5m,管片厚度為0.3~0.4m;分塊主要采用“1+2+3”模式,即用一個(gè)封頂塊、兩個(gè)鄰接塊和三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊構(gòu)筑襯砌環(huán),具體的管片特征及其荷載情況如下述。4.2.1管片襯砌環(huán)布置成都地鐵2號(hào)線盾構(gòu)隧道外半徑為3.00m,內(nèi)半徑為2.70m,管片厚度0.3m,幅寬1.5m,分塊數(shù)目為6塊。封頂塊管片(F)圓心角為15°;標(biāo)準(zhǔn)塊管片3塊(分別為B1、B2、B3),圓心角均為72°;鄰接塊管片左右各1塊(分別為L(zhǎng)1、L2),圓心角均為64.5°;縱向接頭為10處,按36°等角度布置。管片襯砌環(huán)布置如圖3。管片拼裝方式按每?jī)森h(huán)為一組,第一環(huán)的封頂塊管片(F)位于拱頂,第二環(huán)的封頂塊管片(F)從正上方右偏36°。具體計(jì)算過(guò)程中,均取出三環(huán)管片進(jìn)行空間計(jì)算,檢算對(duì)象為中間一環(huán)。4.2.2層特征及力學(xué)參數(shù)作用在管片結(jié)構(gòu)上的土壓荷載根據(jù)卸載拱理論(太沙基公式為主體)取值,地層特征及力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。膨脹荷載考慮其隧道周圍不同位置的土層膨脹,按照表1中的計(jì)算工況,其膨脹接觸壓力分別取30kPa、60kPa、90kPa、120kPa、150kPa5個(gè)荷載等級(jí)。5計(jì)算與分析5.1不同膨脹接觸壓力取膨脹接觸壓力為30kPa、60kPa、90kPa、120kPa、150kPa,針對(duì)表1中各工況進(jìn)行計(jì)算,得出了圖4所示的關(guān)系曲線圖,圖5為膨脹接觸壓力為150kPa時(shí)各工況下的管片結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力計(jì)算結(jié)果,彎矩以隧道內(nèi)側(cè)受拉為正、外側(cè)受拉為負(fù),軸力以受壓為正。5.2膨脹接觸壓力對(duì)最大軸力的影響最(1)當(dāng)隧道周圍不存在膨脹土?xí)r,管片結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力(當(dāng)膨脹接觸壓力為150kPa時(shí))如圖5(a)所示。最大變形點(diǎn)在拱頂,最大正彎矩點(diǎn)在拱底,最大負(fù)彎矩點(diǎn)在拱腰下側(cè),最大軸力點(diǎn)在拱腰下側(cè)。(2)當(dāng)膨脹土位于隧道下方產(chǎn)生膨脹時(shí)(工況2),隨著膨脹接觸壓力的增大,將極大地增加管片結(jié)構(gòu)的下部變形和內(nèi)力,是最不利工況。與工況1相比,最大變形點(diǎn)出現(xiàn)在拱底并增大;內(nèi)力極值點(diǎn)位置不變,但值均增大。當(dāng)膨脹接觸壓力達(dá)到150kPa時(shí),最大正彎矩增大了63%,對(duì)應(yīng)的軸力增大了47%;最大負(fù)彎矩增大了125%,對(duì)應(yīng)的軸力增大了31%。(3)當(dāng)膨脹土位于隧道上方產(chǎn)生膨脹時(shí)(工況3),隨著膨脹接觸壓力的增大,將極大地增加管片結(jié)構(gòu)的上部變形和內(nèi)力,是次不利情況。當(dāng)膨脹接觸壓力達(dá)到150kPa時(shí),最大變形點(diǎn)出現(xiàn)在拱頂,達(dá)到5.1mm。與工況1相比,最大正彎矩點(diǎn)仍在拱底,并有輕微減小,對(duì)應(yīng)的軸力則有輕微增大;最大負(fù)彎矩點(diǎn)出現(xiàn)在拱腰上側(cè)并增大93%,對(duì)應(yīng)軸力也增大,但增大幅度遠(yuǎn)小于彎矩增大幅度。(4)當(dāng)膨脹土位于隧道的單側(cè)(左側(cè)或右側(cè))或兩側(cè)均有時(shí)(工況4、工況5),隨著膨脹接觸壓力的增大,管片結(jié)構(gòu)的變形減小,彎矩減小,軸力增大,這種工況對(duì)于膨脹力及膨脹范圍不要過(guò)大時(shí)是有利的。但是,當(dāng)膨脹力及膨脹范圍過(guò)大時(shí),會(huì)使得管片結(jié)構(gòu)的彎矩分布圖發(fā)生反轉(zhuǎn),最大正彎矩出現(xiàn)在兩側(cè),最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在仰拱處,最大軸力出現(xiàn)在仰拱處,而兩側(cè)軸力迅速降低,甚至出現(xiàn)受拉狀態(tài)。(5)當(dāng)隧道完全處于膨脹土地層中時(shí)(工況6),隨著膨脹接觸壓力的增大,管片襯砌結(jié)構(gòu)的變形和彎矩稍有增大,但不明顯;而軸力增幅很大,與工況1相比,結(jié)構(gòu)最大軸力增大了47%。這種工況相當(dāng)于在隧道外側(cè)加上一個(gè)靜水壓力,這對(duì)于結(jié)構(gòu)受力而言是非常有利的。6結(jié)論和對(duì)策(1)特殊處理的方式通過(guò)上述計(jì)算分析表明,當(dāng)隧道下方或上方存在膨脹土?xí)r,膨脹土的膨脹將會(huì)增大管片結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。在進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)對(duì)該區(qū)段進(jìn)行特殊處理,例如:可以通過(guò)增加配筋量來(lái)滿足設(shè)計(jì),或改變拼裝方式采用通縫拼裝方式來(lái)降低管片結(jié)構(gòu)受力等。當(dāng)隧道側(cè)面(單側(cè)或兩側(cè))存在膨脹土?xí)r,在一定的膨脹力范圍內(nèi)對(duì)結(jié)構(gòu)是有利的,設(shè)計(jì)時(shí)可以不做針對(duì)性處理,但是若膨脹力過(guò)大使得管片結(jié)構(gòu)發(fā)生反彎時(shí),則需要特殊處理。當(dāng)隧道完全處于膨脹土地層中時(shí),對(duì)該地段進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不考慮膨脹力的影響,是偏于安全的。(2)地下水位監(jiān)測(cè)巖土膨脹的誘因在于含水率的改變,從盾構(gòu)施工來(lái)說(shuō)可以從兩方面來(lái)避免或減輕巖土含水率變化帶來(lái)的負(fù)面影響。首先,盾構(gòu)施工過(guò)程中應(yīng)避免引起周圍地下水位發(fā)生變化;其次,在盾構(gòu)施工過(guò)程中,應(yīng)充分保證管片的防水性,包括接縫處及管片自身的防水;再次,在施工過(guò)程中應(yīng)保證盾尾注漿質(zhì)量,并適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行二次補(bǔ)漿。這樣,