动荷载作用下回填土隧道的稳定性研究

2022-08-15黄结友

北方交通 2022年8期

黄结友

(江西省公路学会南昌市 330038)

地铁在建设过程中常遇到回填土路段，回填土的成分复杂、结构松散、力学性质较差，当在其下方修建地铁时，容易发生塌方、涌水等现象，对此许多研究学者对回填土的相关内容进行研究，其中边学成[1]采用解析方法对高速列车动荷载作用下地基和隧道的动力响应进行分析，为隧道的稳定性研究提供参考；李亮等[2-3]为研究列车车速、隧道截面形式以及不同边界条件对隧道结构动力响应的影响，通过有限元软件建立三维的模型进行分析，得到不同参数变化的隧道稳定性的影响变化规律。

通过理论原理结合有限元软件建立三维隧道模型，对其进行模拟研究。

1 回填土的工程特性研究

1.1 密度试验

对现场回填土采用灌水法进行密度试验，最终试验得到回填土的天然密度为2075kg/m3。

1.2 含水率试验

对现场采取的土体按《水利水电工程土工试验规程》中的烘干法进行试验，通过测量和计算得到土样的含水率为9.25%。

1.3 动力参数试验

对现场的回填土动力参数进行试验，根据《土工试验规程》可知，土的动弹性模量及动泊松比可根据式(1)和式(2)进行计算。

(1)

(2)

式中：Ed为土的动弹性模量(MPa)；μd为土的动泊松比；ρ为土体的密度(kg/m3)；vs为剪切波速(m/s)；vp为压缩波速(m/s)。

2 有限元模拟

2.1 有限元软件介绍

采用ANASYS软件进行动力计算时，首先将区域进行离散化，主要是通过对单元进行网格划分，尽可能地划分精细；然后构造插值函数，该函数需要满足位移连续和常量应变；并建立体系的运动微分方程，建立该微分方程常用的方法[4]有达朗贝尔直接平衡法、按虚功原理建立平衡方程以及按哈密顿(Hamilton)原理推导体系的运动方程；随后进行运动微分方程的求解，该求解过程一般是采用积分法或者振型叠加法[5]，最后进行应力应变的分析。

2.2 有限元模型的建立

根据实际工程建立模型，模型的整体尺寸为80m×60m，隧道的拱顶埋深为31.5m；模型中的左右两边设置水平的位移约束，下边界设置为固定端，上部设置为自由；模型中初期衬砌采用BEAM3梁单元进行模拟，而土层、围岩、二次衬砌及桩基则均采用PLAN42平面单元进行模拟；并且对隧道进行监测，在隧道中设置不同的监测点，如图1所示，模型中的相关参数设置见表1。

2.3 模拟结果分析

图1 三维模型图

表1 模型中的参数设置

2.3.1隧道位移的响应分析

对回填土隧道在动荷载作用下的位移响应进行研究分析，模拟的结果见图2所示。

图2 位移变化曲线

从图2可知，随着动荷载的作用，隧道各点的位移变化趋势相近，都将随着动荷载的接近而逐渐增大，后随着动荷载的远离而减小，最后恢复到初始的状态，各点的位移达到极值的时间先是轨道面的中心，然后是左边墙、右边墙、拱顶，最后在地表；并且各点的位移响应幅值均不超过0.03m，其中地表的最小，轨道面中心的位移响应幅值最大，约为0.0275m，该值相对于既有的振动位移容许值的相关研究来说是比较安全的。

2.3.2隧道速度的响应分析

对回填土隧道在动荷载作用下的速度响应进行研究分析，模拟的结果见图3所示。

图3 速度变化曲线

从图3中可知，在动荷载的作用下，回填土隧道的速度响应是以振源为中心向外扩出，并且整体上随着离振源的距离越大，速度的响应减弱趋势越强；并且发现右侧隧道的锚杆加固圈能有效阻扰速度的传播，当距离在10m以内迅速减小，然后趋于平缓，说明回填土对动荷载有较好的减弱作用，因此在实际工程中应保证隧道的埋深大于10m；同时发现隧道各处的速度幅值均小于0.2mm/s, 可见动荷载对回填土隧道的振动速度影响不大。

2.3.3隧道加速度的响应分析

对回填土隧道在动荷载作用下的加速度响应进行研究分析，模拟的结果见图4所示。

图4 加速度变化曲线

从图4可知，回填土隧道在动荷载作用下的加速度变化规律与速度的响应规律相似，整体上由中心向外扩出，并且整体上随着离振源的距离越大，加速度的响应减弱趋势越强；拱顶处的加速度变化趋势与锚杆加固区向左处的变化相似，但拱顶处的回填土加速度衰减速度相对平缓，因此在实际工程中可以对隧道上方的区域提高减震措施；衬砌处的加速度出现先增后减的变化主要是因为列车行驶经过衬砌处，其振动经过折射及反射的作用，导致该区域出现叠加效应，加速度响应增强，随着距离的增大，这种效应逐渐减小。