饱和砂土层盾构隧道在高速列车振动长期作用下的动力响应.docVIP

饱和砂土层盾构隧道在高速列车振动长期作用下的动力响应 　　摘要: 采用三维动力有限元法, 通过对高速列车穿过隧道的动力计算，分析了长期荷载作用下隧道结构以及地层的响应特征。研究结果表明, 多次列车通过时管片竖向位移、地层应力增加不明显，可知在单次列车荷载的作用下地层主要以弹性变形为主；多次列车通过地层位移不具有累积性。多次列车通过时孔隙水压力波动表现出同样的规律，列车经过时引起的超孔隙水压力值不明显，随之消散也较快。相邻两次列车造成的超孔隙水压力基本不会相叠加。 　　关键词:隧道工程;动力响应;盾构隧道;沙土液化;数值分析 　　中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号： 　　 　　 　　 　　1 引言 　　高速列车通过隧道时，隧道周围土体弹性压缩，孔隙压力上升。当列车经过后，由于土体的回弹造成孔隙产生负压，使压力下降。在列车荷载往复作用下饱和砂土具有液化的可能性，从而降低隧道下部土体的承载能力，引起隧道结构下沉，影响结构稳定性以及行车安全性。早在1936年Casagrande[1]提出了临界孔隙比的概念来解释沙土液化现象。1966年，Seed[2]发表论文指出液化现象的主要原因是反复的振动力作用的结果。关于液化的影响因素, Peacock和Seed[3]指出引发初始液化的剪应力峰值在相对密度在70%~80%的区段呈上升趋势。Seed[4]还指出土壤具有一定的剪应力初始状态时，循环剪应力激发孔隙水压力上升的速率会相对降低，从而抑制了液化的发生。沙土的排水条件越好，越不容易发生液化，但是排水速率较快的砂土受周围粘土阻断排水的途径后反而在收到循环荷载时是孔隙水压力陡升造成砂土的液化。Suzuki和Toki[5]对砂土以不同的方式施加预剪应力，在进行循环荷载的沙土液化实验，结果显示，较大的预加剪应力增加了液化发生的循环荷载施加次数，但超过一定之以后，发生液化需要的循环荷载施加次数反而减少。这是土体微观结构改变所致。 　　随着铁路列车运行速度的不断提高，列车振动荷载将逐步增大，列车产生的振动危害将进一步加剧。研究隧道饱和砂土在列车振动荷载作用下的动力响应规律，孔隙水压力的积聚弥散规律具有重要意义。 　　本文以广深铁路狮子洋隧道小虎沥段为模型，通过对多列高速列车穿过隧道的动力计算，分析了长期荷载作用下隧道结构以及地层的响应特征。 　　2 构建模型 　　 2.1本构模型 　　土体的非线性本构模型：采用了弹塑性物理模型和复合的考虑拉应力分离Mohr-Coulomb准则。管片单元采用强度等级为C50的钢筋混凝土，计算时采用Mohr-Coulomb本构模型将混凝土与钢筋合为一体考虑。动力与地下水的耦合计算：地层单元采用finn本构模型来模拟土体在动力作用下的孔隙水压力的产生和变化的情况。 　　狮子洋隧道小虎沥段盾构隧道穿越饱和砂土地层，上部水深4.6m，根据狮子洋隧道地质勘察资料，计算过程中土体的材料参数取值如表1 　　 　　 　　 　　表1 计算模型材料参数 　　 2.2计算范围 　　根据盾构隧道狮子洋段地质勘察资料，取计算模型尺寸如图1所示。通过FLAC3D程序建立计算分析模型如图2、3所示。 　　 　　图1 计算模型尺寸 　　 　　图2 初始地应力计算模型 　　 　　图3 计算分析模型 　　静力计算的边界条件：土层底部完全固定；左右两侧面限制水平方向的位移，竖向自由；前后两面限制轴线方向的位移，竖向自由；地面完全自由。 　　 2.3边界条件及阻尼参数 　　根据狮子洋隧道洞口段模型地质勘察资料，建立计算模型边界条件如下： 　　动力计算的边界条件：土层底部设置为粘性边界，以避免波在边界面处的反射；四周设置为自由边界，地表设置为自由面。隧道上覆水压力为0Pa。 　　渗透边界条件：土层顶部和两侧设置为渗透边界，以合理考虑孔隙水在列车荷载作用下的消散效应；隧道衬砌内侧设置为不渗透边界。 　　瑞利阻尼有两个参数：阻尼比、中心频率、阻尼比只能由试验或实测数据获得。由于影响因素复杂，数值离散大，为了简便计算取一个近似的土体阻尼比参数0.2%。模型的固有频率在不施加阻尼的情况下，进行模态分析得出振动周期换算出自振频率。 　　3.计算结果及分析 　　3.1列车重复作用下长期动力响应时程分析 　　为分析穿越砂土盾构隧道在列车长期荷载作用下的动力响应特性，本文给出力3列火车通过时盾构隧道的整体动力响应特性，3列火车荷载作用的间隔时间为1s。 　　 　　3.1.1 管片位移时程分析 　　 　　（a）v=200km/h （b）v=250km/h 　　 　　（c）v=300km/h （d）v=350km/h 　　图4 管片下部地层位移时程曲线 　　通过图4的长期列车荷载作