黃土地層結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度弱化對地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響研究＊

江 浩，李榮建，戚長軍，李海濤，李 錦

(1.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所，陜西 西安710048;2.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安710043)

0 引 言

土體的結(jié)構(gòu)性是指土體顆粒和孔隙的性狀、顆粒和孔隙的排列形式以及顆粒間的相互作用，因此土的結(jié)構(gòu)性包括了土顆粒和孔隙的幾何特征和膠結(jié)聯(lián)結(jié)特征［1］。沈珠江認(rèn)為從結(jié)構(gòu)性模型的觀點出發(fā)，不應(yīng)當(dāng)再把土體看作是具有固定變形模量和強(qiáng)度指標(biāo)的材料，原狀土在剛開始受力時有一定的模量，其結(jié)構(gòu)完全破壞后有一定的強(qiáng)度，而受力的中間過程則是從原狀土到擾動土的逐漸轉(zhuǎn)化過程［2］。因此，土體結(jié)構(gòu)性的存在不僅使得土體在缺乏預(yù)兆的情況下可能會產(chǎn)生突然的破壞，而且土體的結(jié)構(gòu)性也使得土體破壞后在短時期內(nèi)無法恢復(fù)，從而加大了土體的變形，對隧道工程的建設(shè)造成不利的影響。

隨著西北地區(qū)大型地下工程建設(shè)項目逐漸地增多，穿過黃土地層的隧道應(yīng)運而生，同時亦得到了研究人員的重視。邵生俊等［3］研究了黃土的濕陷性變形對隧道工程的影響;胡志平等［4］通過模型試驗分析穿越地裂縫西安地鐵1 號線隧道襯砌結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理;邵生俊等［5］考慮到結(jié)構(gòu)性的影響，將結(jié)構(gòu)性參數(shù)引入到芬納公式中，在解析的范疇內(nèi)研究了黃土結(jié)構(gòu)性對隧道圍巖壓力的影響程度;馮曉光等［6］通過修正Peck 公式的沉降槽寬度系數(shù)K，地層土體損失系數(shù)η，使其適用于黃土地區(qū)地下工程的建設(shè)。

隨著計算技術(shù)及非線性彈塑性有限元的發(fā)展，強(qiáng)度折減有限元法最早由Zienkiewicz 等［7］提出后由Ugai［8］和Griffths［9］等發(fā)展及應(yīng)用，近年來強(qiáng)度折減有限元法被引入我國并已用于一些實際工程中。李榮建等［10-12］先后將強(qiáng)度折減有限元法推廣到二維和三維條件下非飽和土邊坡的穩(wěn)定性分析。高丙麗［13］將強(qiáng)度折減有限元引入到壩肩邊坡的穩(wěn)定性分析。張紅等［14］對寶蘭鐵路二線碼頭隧道的雙層模筑復(fù)合式襯砌試驗斷面進(jìn)行建模分析，應(yīng)用有限元強(qiáng)度折減法，并按土體與結(jié)構(gòu)共同作用原理求得襯砌的安全系數(shù)。

以上研究成果有效地推動了土體結(jié)構(gòu)性的研究和黃土隧道數(shù)值計算的研究，但這些研究中還沒有涉及到黃土地層結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度弱化對地下結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)以及土體穩(wěn)定性影響。

湯伏全等［15］通過數(shù)值模擬分析了基巖開挖引起的黃土層應(yīng)力與變形的基本特征;楊更社等［16］認(rèn)為凍融循環(huán)通過土中水的作用改變了黃土工程特性。由于擾動、加荷和地下水位的上升等因素均能改變原狀土的結(jié)構(gòu)性，從而使原狀土強(qiáng)度發(fā)生一定程度的弱化，然而關(guān)于土層強(qiáng)度弱化對地下結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)以及土體穩(wěn)定性的影響開展的數(shù)值研究相對較少。考慮到強(qiáng)度折減有限元法可以在一定程度上模擬破壞，為研究土層結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度弱化對地下結(jié)構(gòu)的受力分析提供了一種較好的數(shù)值分析方法。基于有限元和分區(qū)域強(qiáng)度折減的分析思路，主要研究了土體結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度在不同弱化程度條件下影響地下結(jié)構(gòu)受力變化的規(guī)律。

1 計算模型與參數(shù)

1.1 計算模型

黃土地層深埋隧道的圓形洞徑為8 m，混凝土襯砌厚度為60 cm，隧道埋深20 m。在本數(shù)值分析中采用二維計算模型，以隧洞中心為坐標(biāo)原點，建立的數(shù)值分析模型如圖1 所示。采用四邊形四結(jié)點單元，劃分單元時仍以隧道軸線為坐標(biāo)原點，相應(yīng)的有限元網(wǎng)格圖如圖2 所示，單元數(shù)為1 403，結(jié)點數(shù)為1 470，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。

圖1 黃土隧道斷面(m)Fig.1 Section of a loess tunnel(unit:m)

圖2 有限元網(wǎng)格劃分Fig.2 Finite element mesh

1.2 參數(shù)選取

計算中土體采用莫爾- 庫侖彈塑性材料模型，混凝土襯砌采用彈性模型，按照平面應(yīng)變問題來處理，計算中所采用參數(shù)見表1.

表1 有限元計算模型參數(shù)Tab.1 Numeric parameters in finite element method

1.3 計算工況

為了分析黃土結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度在不同區(qū)域弱化條件下的地下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化規(guī)律，考慮了4 種黃土土體強(qiáng)度分區(qū)變化的計算工況進(jìn)行模擬分析(圖3)。4 種工況分別模擬了不同區(qū)域的土體結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度在不同位置弱化后的分布情況，工況1 是模擬結(jié)構(gòu)性土原狀情況的工況，工況2，3，4 分別模擬了黃土結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度在不同部位弱化的分析工況。具體來講，工況2 模擬了當(dāng)右部土體強(qiáng)度弱化的情況，工況3 是模擬了當(dāng)左下部分和右上部分土體結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度弱化的情況，工況4 是模擬了上部土體強(qiáng)度弱化的情況，通過將工況2，3，4 分別與工況1 進(jìn)行比較，從而可以得出，土層不同區(qū)域結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度弱化時地下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化規(guī)律。

圖3 4 種工況的計算模型(m)Fig.3 Calculation model of four cases(unit:m)

2 黃土隧道的數(shù)值分析

基于強(qiáng)度折減有限元法可以在一定程度上模擬破壞的優(yōu)點，基于分區(qū)折減強(qiáng)度的計算思路，通過彈塑性應(yīng)力場分布由計算得出的4 種計算工況在拱頂、拱底和左右邊墻的截面彎矩結(jié)果見表2;圖4 至圖7 為各工況中襯砌的隧道拱頂、拱底部以及隧道左右邊墻處的計算得出的彎矩值。

工況1 為原狀土結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度條件下的計算分析，計算結(jié)果表明:隧道拱底部彎矩大于拱頂彎矩，由于土體強(qiáng)度左右分布的對稱性，引起左右邊墻彎矩值也具有左右對稱性，表現(xiàn)在隧道的左右邊墻的彎矩值大小基本相等(圖4)。在工況2 中，從圖5 計算結(jié)果可以看出，由于右部土體結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度弱化引起該部土體的自承能力降低，隧道整體抵抗外力的彎矩值變大，并且由于右部分土體強(qiáng)度降低幅度最大，隧道左邊墻的彎矩值略有增大，隧道拱頂、拱底部彎矩增加較小，隧道右邊墻的彎矩值變化幅度最大。由于土體強(qiáng)度左右分布的不對稱性，引起邊墻彎矩值變化也不具有左右對稱性(圖5(b))。

表2 4 種工況下襯砌橫截面的彎矩Tab.2 Moment of the cross section in cases

圖4 工況1 隧道襯砌的彎矩值(kN·m)Fig.4 Lining moment of tunnel in Case 1(kN·m)

圖5 工況2 隧道襯砌的彎矩值(kN·m)Fig.5 Lining moment of tunnel in Case 2(unit:kN·m)

在工況3 中從計算結(jié)果可以得出，由于土的結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度在左下部分和右上部分發(fā)生弱化時誘發(fā)該部土體的自承能力降低，隧道整體內(nèi)力變大，而且隧道拱頂、拱底部及左右邊墻處等3 個部位的彎矩值變化幅度都較大。由于土體發(fā)生不對稱性強(qiáng)度弱化，引起彎矩值變化亦不具有左右的對稱性(圖6)。

圖6 工況3 隧道襯砌的彎矩值(kN·m)Fig.6 Lining moment of tunnel in Case 3(unit:kN·m)

在工況4 中，由于上部土體結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度發(fā)生弱化，上部土體的自身承載能力降低，隧道整體的彎矩值變大，但增幅小于在工況3 中相應(yīng)部位的彎矩值。由于土體結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度弱化的對稱性，引起彎矩值變化亦具有左右對稱性(圖7)。

圖7 工況4 隧道襯砌的彎矩值(kN·m)Fig.7 Lining moment of tunnel in Case 4(unit:kN·m)

對比工況1，工況2，工況3 和工況4 的計算結(jié)果可知，一方面，當(dāng)?shù)貙油恋膹?qiáng)度弱化時，土體的自身承載能力降低，襯砌的彎矩值明顯增大;另一方面，當(dāng)?shù)貙油恋慕Y(jié)構(gòu)性強(qiáng)度在左下部分和右上部分發(fā)生弱化時引起的襯砌內(nèi)力復(fù)雜的重分布，襯砌的彎矩值增大最顯著。

3 結(jié) 論

利用有限元法模擬并分析了結(jié)構(gòu)性黃土強(qiáng)度弱化對隧道襯砌內(nèi)力的影響，并通過比較四種典型工況的數(shù)值計算結(jié)果，取得研究結(jié)論如下

1)當(dāng)土體結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度發(fā)生弱化時，土體的強(qiáng)度降低導(dǎo)致土體的自身承載能力降低，使得地下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力普遍增大;

2)當(dāng)?shù)貙油恋慕Y(jié)構(gòu)性強(qiáng)度在左下部分和右上部分發(fā)生弱化時，在相應(yīng)部位處襯砌受力表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力集中，導(dǎo)致襯砌內(nèi)力復(fù)雜的重分布，襯砌的彎矩值增大最顯著，表明這種土體結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度弱化條件下危害也最大。

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