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摘要:在幾何相似比為100、斷層傾角為90°的情況下，進(jìn)行了斷層位錯(cuò)量對(duì)跨斷層隧道影響的模型試驗(yàn)。介紹了圍巖模型材料的相似常數(shù)的選取及設(shè)計(jì)、隧道襯砌的設(shè)計(jì)、加載方案。對(duì)取得的襯砌應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。結(jié)果表明:不同位錯(cuò)量下隧道襯砌拱腰的縱向應(yīng)變分布規(guī)律一致，隧道襯砌應(yīng)變和位錯(cuò)量成正相關(guān);破碎帶兩側(cè)不同盤處的隧道襯砌的應(yīng)變呈現(xiàn)反對(duì)稱分布;應(yīng)變最大位置處即在斷層破碎帶處。

關(guān)鍵詞:相似常數(shù);斷層位錯(cuò)量;跨斷層隧道

隧道等地下工程穿越斷層或接近斷層的現(xiàn)象越來越普遍，地震活動(dòng)不斷加強(qiáng)，導(dǎo)致斷層活化引起地下工程破壞的情況越來越突出。很多學(xué)者開始從事跨斷層隧道的研究。熊田芳等［1］研究了西安地鐵二號(hào)線穿越斷層的隧道，采用1∶50幾何相似比進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)，開展了斷層活動(dòng)下隧道正交穿越斷層時(shí)圍巖和襯砌相互作用的機(jī)制研究。信春雷等［2］通過分析圍巖與隧道結(jié)構(gòu)的地震加速度響應(yīng)，震動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)以及隧道結(jié)構(gòu)的震后破壞形態(tài)，以無抗減震措施和無斷層為對(duì)比例，對(duì)直立與傾斜走滑斷層處設(shè)置的套管式可變形抗減震措施進(jìn)行了系統(tǒng)研究。劉學(xué)增等［3］用有限元分析軟件Abaqus建立穿越活動(dòng)斷裂帶隧道模型，根據(jù)具體隧道相關(guān)地質(zhì)資料，分析斷層不同錯(cuò)動(dòng)位移對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力影響，圍巖對(duì)隧道壓力分布情況以及隧道塑性應(yīng)變發(fā)展規(guī)律。李小軍等［4］用有限元方法對(duì)斷層基巖錯(cuò)動(dòng)引發(fā)上覆土層破裂過程進(jìn)行數(shù)值模擬，展示場(chǎng)地土層破裂形成和擴(kuò)展特征，以及場(chǎng)地地表出現(xiàn)破裂并不一定形成土層貫通破裂的地震現(xiàn)象。王崢崢等［5］根據(jù)試驗(yàn)條件和振動(dòng)臺(tái)性能，確定模型系統(tǒng)的相似關(guān)系，由室內(nèi)配比試驗(yàn)確定相似材料;根據(jù)試驗(yàn)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)模型箱。根據(jù)跨斷層隧道的數(shù)值結(jié)果，優(yōu)化傳感器的布置;最后確定地震輸入加速度和試驗(yàn)加載方案。黃蕓等［6］針對(duì)正斷層錯(cuò)動(dòng)引起的地鐵隧道變形破壞仍缺乏有效的理論預(yù)測(cè)模型的情況，基于不排水條件下上覆土體的變形機(jī)制，建立地鐵隧道變形的計(jì)算方法。林克昌等［7］利用有限元軟件Abaqus，建立了斷層錯(cuò)動(dòng)三維有限元計(jì)算模型。在此基礎(chǔ)上，以走滑斷層為例，對(duì)比分析了斷層寬度逐漸增大的過程中，跨斷層巖體隧道的錯(cuò)動(dòng)反應(yīng)特性。趙穎等［8］研究正斷層位錯(cuò)作用下城市地鐵隧道的抗震薄弱部位，為地鐵隧道工程的抗震設(shè)計(jì)及地震安全性評(píng)價(jià)工作提供依據(jù)。何川等［9］采用振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算的方法，研究了圍巖與隧道結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)特性、地層變形和襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布規(guī)律等。國內(nèi)外跨斷層隧道的研究主要側(cè)重在圍巖剛度、隧道的剛度、斷層傾角、破碎帶的剛度和寬度以及隧道抗震抗斷的研究。本實(shí)驗(yàn)主要在定性的基礎(chǔ)上研究斷層位錯(cuò)量對(duì)跨斷層隧道的破壞，為定量研究提供參考和依據(jù)。

1模型設(shè)計(jì)

1.1相似常數(shù)的確定物理模型試驗(yàn)中，相似常數(shù)是原型與模型之間的橋梁，關(guān)系到所選擇的模型能否真實(shí)反映原型中的物理力學(xué)性質(zhì)(密度、彈性模量、應(yīng)力和應(yīng)變等)。因此，合適的相似常數(shù)的確定，更加有利于我們研究原型的物理、力學(xué)以及結(jié)構(gòu)特性。根據(jù)物理力學(xué)模型的相似指標(biāo)與單值條件，為了真實(shí)地反應(yīng)自重應(yīng)力場(chǎng)對(duì)模型試驗(yàn)的影響，試驗(yàn)選擇的模型材料與原型密度一致，即密度相似比Cρ=1，以此簡(jiǎn)化模型與原型之間的關(guān)系換算，體現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)中自重應(yīng)力場(chǎng)的影響。同時(shí)，為滿足原型與模型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線相似，選擇了應(yīng)變相似比為1，即Cε=1。以此為基礎(chǔ)，根據(jù)相似理論，結(jié)合試驗(yàn)設(shè)備能力、試驗(yàn)復(fù)雜程度、試驗(yàn)成本和試驗(yàn)周期等因素的綜合權(quán)衡，選取幾何相似比Cl=100。由原型和模型的物理方程、應(yīng)力邊界條件、幾何方程、平衡方程和位移邊界條件可依次推導(dǎo)出物理模型試驗(yàn)的其他相似關(guān)系如表1所示。

1.2材料配比的優(yōu)化依據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD70—2004)和巖石力學(xué)參數(shù)手冊(cè)，可以確定圍巖模型材料配比的物理力學(xué)指標(biāo)，結(jié)合相似常數(shù)可以推導(dǎo)出相應(yīng)的模型參數(shù)，如表2所示。根據(jù)袁宗盼［10］得到的正交配比試驗(yàn)結(jié)果，由正交試驗(yàn)極差分析和方差分析所得到的各影響因素對(duì)相似材料的影響規(guī)律，參考本次圍巖模型材料參數(shù)指標(biāo)，得到最佳試驗(yàn)配比，再對(duì)最佳材料配比得到的參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化?？傻玫皆囼?yàn)中材料的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，基本上滿足模型試驗(yàn)所需指標(biāo)值，材料及其配比如表3所示。

1.3圍巖尺寸設(shè)計(jì)基于對(duì)邊界條件、尺寸效應(yīng)以及結(jié)果精確度的考慮，可取計(jì)算長度為100m，寬和高均為40m，隧道形狀為圓形，洞徑5m，斷層傾角90°。由相似關(guān)系可得到模型的尺寸為長100cm，截面為40cm的正方形，隧道洞徑為5cm，隧道形心位于圍巖截面形心位置。如圖1所示。制作完成的模型箱如圖2所示。為便于操作，圍巖的上下盤選擇對(duì)稱結(jié)構(gòu)。模型箱四周用螺栓錨固，便于拆卸，內(nèi)壁粘貼硬質(zhì)薄膜，便于圍巖模型光滑成型。

1.4隧道模型材料的確定常見的隧道襯砌結(jié)構(gòu)模型材料有金屬、塑料和石膏等。根據(jù)3種模型材料的特性分析，本試驗(yàn)中選擇了聚氯乙烯(PVC)管。和另外2種材料相比，PVC管和隧道的襯砌材料在物理力學(xué)性質(zhì)方面有更好的相似性。PVC管的外徑均為5cm，厚度為0.2cm，長100cm，彈性模量為2.00×106Pa。

2試驗(yàn)加載及數(shù)據(jù)采集

2.1加載裝置根據(jù)試驗(yàn)的具體情況及試驗(yàn)條件，試驗(yàn)選用千斤頂進(jìn)行加載。該方式為集中力加載，采用兩臺(tái)機(jī)械式千斤頂。該千斤頂?shù)囊?guī)格為20t，其最低高度300mm，起升高度500mm，調(diào)整高度為200mm(圖3)。試驗(yàn)過程中，保持活動(dòng)盤水平方向的位移同步，避免出現(xiàn)活動(dòng)盤傾斜的情況。

2.2監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置根據(jù)袁宗盼［10］對(duì)跨斷層隧道錯(cuò)動(dòng)響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行的數(shù)值模擬研究，走滑斷層錯(cuò)動(dòng)作用下，在隧道襯砌的左右拱腰對(duì)稱布置7對(duì)應(yīng)變片，對(duì)其縱向應(yīng)變變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，除了SR4和SR5間距為140mm，其他均為120mm。SR、SL分別代表右、左拱腰的應(yīng)變片，用于監(jiān)測(cè)隧道襯砌縱向應(yīng)變，其分布位置如圖4所示。所有的應(yīng)變片測(cè)試結(jié)果均通過DH3818型靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀(20通道)進(jìn)行。采集位移計(jì)布置的目的為試驗(yàn)中量測(cè)斷層錯(cuò)動(dòng)的水平距離。將位移計(jì)支座固定在活動(dòng)盤一側(cè)，并連接到DH3818型靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀(20通道)，通過位移計(jì)來測(cè)定上升盤的水平錯(cuò)動(dòng)距，如圖5和6所示。在位移計(jì)兩側(cè)對(duì)稱位置布置了兩個(gè)百分表，用以提高加載的準(zhǔn)確性，也可以嚴(yán)格控制活動(dòng)盤水平的移動(dòng)，避免其在移動(dòng)過程中發(fā)生傾斜。

2.3數(shù)據(jù)采集選取最大錯(cuò)動(dòng)距離為16mm，平均每1mm采集1次應(yīng)變數(shù)據(jù)，一共16級(jí)，在加載時(shí)應(yīng)盡量均勻施加荷載減少受力不均帶來的影響。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D7所示，左盤為錯(cuò)動(dòng)盤，右盤為固定盤，通過兩個(gè)機(jī)械式千斤頂進(jìn)行加載。隧道左拱腰位于圖中左側(cè)，隧道右拱腰位于圖中右側(cè)。

3試驗(yàn)結(jié)果及分析

每級(jí)加載過程中，通過DH3818型靜態(tài)應(yīng)變采集儀進(jìn)行采集，結(jié)果如表4和5所示。由表4和5可以看出:在同一應(yīng)變片位置，隨著加載量的增大，應(yīng)變數(shù)值也逐步增大;同一加載級(jí)，應(yīng)變數(shù)值遞減。圖8所示為不同斷層錯(cuò)距的情況下，斷層位錯(cuò)量和襯砌應(yīng)變的關(guān)系。左、右拱腰的曲線走勢(shì)大致一致，并且拱腰的應(yīng)變均出現(xiàn)了正值和負(fù)值。襯砌左拱腰的正應(yīng)變最大值較右拱腰小，負(fù)應(yīng)變值的最大值較右拱腰小但絕對(duì)值大。每個(gè)測(cè)點(diǎn)處的襯砌應(yīng)變隨斷層位錯(cuò)量的增大而變大，且測(cè)點(diǎn)左右襯砌的應(yīng)變是相反的。位錯(cuò)量較小時(shí)襯砌應(yīng)變?cè)龇^小，位錯(cuò)量大時(shí)襯砌應(yīng)變?cè)龇^大，且呈現(xiàn)正相關(guān)的線性關(guān)系。再以隧道軸線為橫坐標(biāo)，左盤的端部為坐標(biāo)原點(diǎn)，以襯砌應(yīng)變?yōu)榭v坐標(biāo)建立平面直角坐標(biāo)系，如圖9所示。同一位置處由圖9可見左、右拱腰在斷層左、右兩側(cè)的襯砌應(yīng)變值均為異號(hào)。同一位錯(cuò)量下靠近斷層處襯砌應(yīng)變最大，隨距離斷層處越遠(yuǎn)襯砌應(yīng)變?cè)叫?。在同一位置處位錯(cuò)量越大應(yīng)變?cè)酱螅铱拷淼罃鄬犹帒?yīng)變最大。

4結(jié)論

1)隧道襯砌拱腰的縱向應(yīng)變分布規(guī)律基本相同。應(yīng)變值為正，表明處于受拉狀態(tài);應(yīng)變值為負(fù)，表明處于受壓狀態(tài)。由此可得隧道在左盤內(nèi)右拱腰受拉，左拱腰受壓;在右盤內(nèi)與此相反。即在隧道襯砌左右拱腰對(duì)應(yīng)位置處的應(yīng)變值基本呈反對(duì)稱，也正因?yàn)槿绱耍呋瑪鄬釉阱e(cuò)動(dòng)作用下會(huì)導(dǎo)致隧道襯砌在平面上發(fā)生彎曲變形。2)應(yīng)變峰值的分布規(guī)律基本相同，主要分布在斷層破碎帶附近。右拱腰的拉壓應(yīng)變峰值絕對(duì)值主要分布在SR4和SR5附近;左拱腰的拉壓應(yīng)變峰值絕對(duì)值主要分布在SL4和SL5附近。3)隧道在正斷層和逆斷層位錯(cuò)作用下，拱腰對(duì)稱，應(yīng)變相同。但在平滑斷層作用時(shí)，作用點(diǎn)在拱腰，在斷層的一盤受到拉應(yīng)變時(shí)，在另一盤就受到壓應(yīng)變。斷層破碎帶處的圍巖強(qiáng)度較低，地殼運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致斷層活化，繼而運(yùn)動(dòng)過程中，跨斷層隧道在斷層破碎帶處受到的作用更加的明顯，應(yīng)變更大;隨著遠(yuǎn)離破碎帶，隧道受到的應(yīng)變減小。

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作者：張?jiān)骑w 陳新民 袁宗盼 單位：南京工業(yè)大學(xué)