有限元強(qiáng)度折減法在錨噴支護(hù)優(yōu)化中的應(yīng)用

李光輝 王謙源 韓立亮

近年來隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,國(guó)家開始大規(guī)模的加大基礎(chǔ)設(shè)施的工程投資和建設(shè),公路隧道、地鐵等地下結(jié)構(gòu)被廣泛地采用以解決日益擁擠的交通問題。而錨噴支護(hù)具有能充分發(fā)揮圍巖的自承能力和支護(hù)材料的承載能力的特點(diǎn),在我國(guó)地下工程中的應(yīng)用也日益增多。極限分析有限元法在邊坡穩(wěn)定分析中取得了成功,并逐漸在地基、基坑穩(wěn)定分析中得到推廣應(yīng)用。鄭穎人、胡文清、張黎明等人[1,2]開始將有限元強(qiáng)度折減法應(yīng)用于隧道,由此求得安全系數(shù)和潛在滑動(dòng)面,提出了評(píng)價(jià)隧道穩(wěn)定性的新方法。這也給隧道的襯砌參數(shù)研究提供了一個(gè)很好的方法,可以通過安全系數(shù)對(duì)隧道的支護(hù)參數(shù)提出改進(jìn)建議。

1 隧洞破壞機(jī)理及安全系數(shù)的定義

開挖隧道時(shí),會(huì)由于工程力的作用破壞巖體原先的初始應(yīng)力平衡狀態(tài),使隧道周圍一定范圍內(nèi)的巖體受到影響而產(chǎn)生應(yīng)力重分布。當(dāng)圍巖應(yīng)力達(dá)到或超過巖體強(qiáng)度時(shí),會(huì)引起圍巖局部發(fā)生破壞。由于地下隧道絕大部分處于受壓狀態(tài),因而一般都是剪切破壞。

對(duì)于剪切破壞狀態(tài),安全系數(shù)指剪切破壞面上實(shí)際土體的強(qiáng)度與破壞時(shí)的強(qiáng)度的比值。可采用有限元強(qiáng)度折減法,通過不斷折減土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù),使土體達(dá)到極限破壞狀態(tài)為止,此時(shí)的折減系數(shù)即為剪切安全系數(shù)。

傳統(tǒng)的極限平衡方法計(jì)算剪切破壞安全系數(shù)用公式表示:

其中,ω,s,τ分別為傳統(tǒng)的安全系數(shù)、破裂面上的抗剪強(qiáng)度和破裂面上的實(shí)際剪應(yīng)力。將式(1)兩邊同除以 ω,則式(1)變?yōu)?

2 工程概況及模型的建立

青島某地下工程,區(qū)間隧道為單洞單線,埋深為16 m,橫斷面形式為直墻三心圓拱,洞室跨度為5.2 m,拱部高度2 m,側(cè)墻4 m。該隧道所處位置巖體完整性好,主要為花崗巖。在有限元計(jì)算中地層參數(shù)取《規(guī)范》[4]上Ⅲ級(jí)圍巖下限。噴混凝土采用濕噴工藝,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20,厚度為15 cm。φ 22砂漿錨桿長(zhǎng)度為2 m,橫縱間距為1.0 m×1.0 m。

計(jì)算按照平面應(yīng)變問題考慮,采用理想彈塑性本構(gòu)模型,并采用平面應(yīng)變關(guān)聯(lián)法則下莫爾—庫侖匹配準(zhǔn)則。計(jì)算范圍底部以及左右兩側(cè)各取5倍洞室跨度,向上取到地表;邊界條件左右兩側(cè)為水平約束,下部為固定約束,上部為自由邊界。

3 計(jì)算結(jié)果分析

洞室開挖后,先考慮不做任何支護(hù),折減圍巖的剪切參數(shù)c,φ,使洞室處于極限失穩(wěn)狀態(tài),得到圍巖的安全系數(shù)為F=3.32,然后考慮將錨桿和噴射混凝土單獨(dú)施作到隧道上,分別折減其安全系數(shù),使隧道圍巖最終達(dá)到極限破壞狀態(tài)。最后選擇錨噴支護(hù)方式進(jìn)行計(jì)算分析。具體的圍巖安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1。得到的錨噴支護(hù)下破壞前圍巖等效塑性應(yīng)變?cè)茍D見圖1～圖3。

表1 支護(hù)前后圍巖的整體安全系數(shù)

從表1可以看出,洞室開挖后,如果只施加錨桿對(duì)于圍巖整體安全系數(shù)變化影響很小,說明雖然錨桿在支護(hù)過程中起到了一定的作用,但是支護(hù)效果不明顯,對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性作用不大。特別是在青島的花崗石巖質(zhì)隧道中可以考慮取消或取消一部分錨桿,一方面可以減少工程造價(jià);另一方面可以節(jié)省施作錨桿的時(shí)間,縮短工期,也可以便于較早的噴射混凝土,及時(shí)封閉圍巖。而噴射混凝土對(duì)圍巖安全系數(shù)有很大影響,支護(hù)效果非常明顯,接近于錨噴支護(hù)的組合效果。說明在施工過程中要盡快噴射混凝土,及早封閉圍巖,利于施工的安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。由表1還可以看出,施加錨噴支護(hù)后,圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的整體安全系數(shù)大幅提高,滿足了初級(jí)支護(hù)穩(wěn)定要求,極好的保證了圍巖與襯砌的安全度。

4 不同圍巖應(yīng)力釋放率的影響

為了尋求最佳的支護(hù)時(shí)間段,使支護(hù)結(jié)構(gòu)所受的內(nèi)力在優(yōu)化意義上達(dá)到最小,而又使得圍巖自承力得到充分的發(fā)揮。現(xiàn)通過改變圍巖的應(yīng)力釋放率來模擬在開挖后的不同時(shí)間進(jìn)行支護(hù)。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)分別取圍巖應(yīng)力釋放率為40%,50%,60%,在相應(yīng)的應(yīng)力釋放后施加錨噴支護(hù),對(duì)圍巖參數(shù)c,φ進(jìn)行折減,計(jì)算得到支護(hù)后圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的整體安全系數(shù)見表2。圖3為應(yīng)力釋放率50%的圍巖塑性區(qū)及等效塑性應(yīng)變?cè)茍D。

從得到的洞室圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的整體安全系數(shù)可以看出,應(yīng)力釋放率對(duì)于圍巖的穩(wěn)定性有很大的影響,并且隨著支護(hù)前應(yīng)力釋放率的提高,洞室圍巖的安全系數(shù)在不斷地減小,且變化量比較明顯。這就要求我們要利用好應(yīng)力釋放率的變化規(guī)律,以達(dá)到最好的支護(hù)效果。而根據(jù)這一變化規(guī)律可以得到,在洞室開挖后要及時(shí)進(jìn)行支護(hù),以穩(wěn)固巖體,保證洞室的穩(wěn)定性。

表2 不同應(yīng)力釋放率下圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的整體安全系數(shù)表

5 結(jié)語

1)Ⅲ類圍巖短時(shí)間內(nèi)可以維持自穩(wěn)。但為了防止圍巖的進(jìn)一步變形與破壞,必須及時(shí)采取錨噴支護(hù)措施,以保證隧洞圍巖的穩(wěn)定與安全。2)噴射混凝土和錨噴支護(hù)的支護(hù)作用明顯,錨桿在支護(hù)過程中雖也起到了一定的作用,但是支護(hù)效果不明顯,對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性作用不大,建議施工中可以考慮取消或部分取消錨桿,不僅能節(jié)省造價(jià),還能縮短工期。3)圍巖應(yīng)力釋放率對(duì)圍巖安全系數(shù)有較大的影響,且隨著支護(hù)前應(yīng)力釋放率的提高,洞室圍巖的安全系數(shù)在不斷地減小,且變化量比較明顯。并可以據(jù)此確定合理的襯砌形式和支護(hù)時(shí)間。4)有限元強(qiáng)度折減法不但適用于巖土邊坡工程,同樣適用于隧洞工程中。利用有限元強(qiáng)度折減法對(duì)隧道的安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,可以評(píng)價(jià)隧道的穩(wěn)定性。還可以根據(jù)安全系數(shù)的大小判定設(shè)計(jì)的合理性,并對(duì)支護(hù)參數(shù)和施工工藝提出改進(jìn)建議。

[1] 張黎明,鄭穎人.有限元強(qiáng)度折減法在公路隧道中的應(yīng)用探討[J].巖土力學(xué),2007,28(1):97-101.

[2] 鄭穎人,趙尚毅.有限元極限分析法發(fā)展及其在巖土工程中的應(yīng)用[J].中國(guó)工程科學(xué),2006,8(12):39-61.

[3] 楊 臻,鄭穎人,張 紅,等.巖質(zhì)隧洞圍巖穩(wěn)定性分析與強(qiáng)度參數(shù)的探討[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2009,2(5):283-290.

[4] JTG D70-2004,公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] 劉 迅,任 萍.錨噴支護(hù)技術(shù)在滑坡治理中的應(yīng)用[J].山西建筑,2008,34(33):94-95.